Общие сведения о средствах измерений и контроля 1 страница

Средством измерения (measuring instrument) является техническое устрой­ство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Сигнал измерительной информации, поступающий на вход средства измере­ний, служит входным сигналом (input signal of a measuring instrument), получае­мый на выходе, - выходным сигналом (output signal of a measuring instrument) средства измерений.

Для контроля параметров технологических процессов в большинстве случа­ев используется не одно, а несколько средств измерения и преобразования сиг­налов, образующих канал (цепь) измерения (measurement sequence of a measur­ing instrument) этого параметра.

Существуют три основные вида средств измерений: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы.

Мера (actual measure) - средство измерения, предназначенное для воспроиз­ведения физической величины заданного размера. Примером может служить кварцевый генератор в качестве меры частоты электрических колебаний.

Существуют меры однозначные и многозначные. К многозначным мерам относится, например, магазин сопротивлений.

Измерительный преобразователь (measuring transducer) - средство изме­рений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хране­ния, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. В прак­тике часто применяется термин датчик (sensor).

Измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величи­на, т.е. первый в канале измерения (измерительной цепи), называется первичным измерительным преобразователем (primary measuring transducer), его часть, на которую непосредственно воздействует измеряемая величина - чувствитель­ным элементом (detector).

Измерительный преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного является промежуточным измерительным преобразовате­лем (intermediate measuring transducer).

Передающий измерительный преобразователь (transmission measuring transducer) представляет собой преобразователь, предназначенный для дистанци­онной передачи сигнала измерительной информации.

Средство измерения, с помощью которого измерительная информация выда­ется в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, на­зывается измерительным прибором (measuring apparatus).

Измерительный прибор, допускающий только считывание, - показывающий измерительный прибор (indicating measuring apparatus).

Регистрирующий измерительный прибор (recording measuring apparatus) - измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. В за­висимости от регистрации измеряемой величины различают аналоговые и циф­ровые измерительные приборы.

В практике для измерительных приборов, устанавливаемых на щитах кон­троля и управления, применяется термин вторичный прибор (second apparatus), т.е. устройство, воспринимающее сигнал от первичного или передающего изме­рительного преобразователя и выражающее его с помощью отсчетного устройст­ва (шкалы, диаграммы и др.).

Совокупность средств измерений (измерительных преобразователей, изме­рительных приборов и др.), соединенных между собой каналами связи, предна­значенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удоб­ной для автоматической обработки, передачи и (или) использовании в автомати­ческих системах управления, представляет собой измерительную систему (measuring system).

Под определением системы автоматизации (system automation) следует понимать комплекс измерительной, преобразующей, исполнительной и другой аппаратуры, а также вычислительной техники, связанных между собой каналами связи. Например, измерительные системы, системы автоматического управления (регулирования) технологическими процессами.

Под измерительной техникой, в широком смысле этого слова, понимают как все технические средства, с помощью которых выполняют измерения, так и технику проведения измерений.

Задачей контроля (control) является обнаружение событий, определяющих ход того или иного процесса. В случае, когда эти события обнаруживаются без непосредственного участия человека, такой контроль называют автоматическим.

1.3. Принципы построения измерительных преобразователей

Измерительные преобразователи (ИП) подразделяются на ИП с естествен­ными и унифицированными (стандартными) сигналами. Измерительные преоб­разователи с естественными выходными сигналами — устройства, в которых с помощью чувствительного элемента осуществляется первичное преобразование измеряемой физической величины. Такие ИП, представляющие собой единую конструкцию, являются первичными измерительными преобразователями (ПИП). Примером ПИП может служить термоэлектрический преобразователь -

термопара. На рис. 1.2 представлена структурная схема первичного измеритель­ного преобразователя.

Рис 1.2 Структура первичного измерительного преобразователя

Если первичное преобразование измеряемой величины не представляет удобного для использования сигнала, применяют структуры с одним или не­сколькими промежуточными преобразователями (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Структурная схема измерительного преобразователя

В ИП с унифицированными выходными сигналами используются норми­рующие преобразователи, расположенные конструктивно в измерительном пре­образователе или в виде отдельного устройства.

Унификация выходных сигналов обеспечивает взаимозаменяемость средств измерений, позволяет сократить размерность вторичных измерительных уст­ройств.
Общая тенденция развития датчиков связана с их интеллектуализацией. Не­совершенства характеристик измерительных преобразователей (нелинейность, низкая селективность, чувствительность к шумам, невоспроизводимость от эк­земпляра к экземпляру и т. д.) компенсируется программным путем с помощью математической обработки сигнала измерительной информации.

 

1.4. Классификация средств измерения и контроля

В зависимости от принципа действия электрические датчики можно разде­лить на две большие группы:

Параметрические датчики преобразуют измеряемую величину в параметр электрической цепи: сопротивление, индуктивность, емкость. Для работы пара­метрических датчиков необходимы вспомогательные источники питания (электроэнергии). К параметрическим относятся следующие типы преобразователей:

· потенциометрические, тензометрические, емкостные, индуктивные и др.

Генераторные датчики непосредственно преобразуют неэлектрическую энергию входного сигнала, пропорционального значению измеряемой величины, в электрическую энергию. К генераторным относятся следующие типы датчи­ков: термоэлектрические, тахометрические, индукционные, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и др.

Генераторные датчики не нуждаются во вспомогательных источниках элек­троэнергии.

По виду входного сигнала датчики делятся на следующие группы: темпера­туры, давления, расхода, уровня, состава вещества, перемещения, скорости, раз­меров, положения и т. д.

По виду выходного сигнала они также разделяются. Датчики преобразуют измеряемую величину в изменение активного сопротивления, емкости, индук­тивности, значения постоянного напряжения (тока), амплитуды переменного на­пряжения (тока), частоты или длительности импульсов и т. д.

Таким образом, основными признаками, позволяющими классифицировать датчики, являются принцип действия, измеряемые физические величины, вид входного и выходного сигналов.

На рис. 1.4 представлена классификация средств измерения и контроля по типу контролируемых физических величин.

Рис. 1.4. Классификация средств измерения и контроля по типу физических величин

 

1.5. Метрологические характеристики средств измерений

При оценке качества и свойств средств измерений большое значение имеет знание их метрологических характеристик, позволяющих выполнить оценку по­грешностей при работе как в статическом так и в динамическом режимах.

Класс точности средств измерений является обобщенной их характери­стикой, определяемой пределами основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность.

Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей средств измерений для каждого из классов точности устанавливается в виде абсолютных и приведенных погрешностей.

Любые технические измерения относительны, поскольку всегда существует положительная или отрицательная разность между наблюдаемым или числен­ным значением измеряемой величины и ее истинным значением, называемая по­грешностью. Таким образом, погрешность (error of a measurement) - это откло­нение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешности измерения в зависимости от их происхождения разделяются на две группы: систематические погрешности и случайные погрешности.

Систематические погрешности (systematic errors) имеют постоянный ха­рактер и по причинам возникновения делятся на: инструментальные погрешно­сти; погрешности от неправильной установки средств измерений; погрешности, возникающие вследствие внешних влияний; методические (теоретические) по­грешности.

Исключение погрешности после проведения измерений достигается путем введения соответствующей поправки в показания приборов, численно равной

систематической погрешности, но противоположной ей по знаку.

Погрешности средств измерений устанавливаются при поверке - определе­нии метрологическим подразделением погрешностей средств измерений и уста­новления пригодности их к применению.

Случайные погрешности (random errors) вызываются независящими друг от друга случайными факторами и изменяются случайным образом при повтор­ных измерениях одной и той же величины. Знак случайных погрешностей выра­жается в виде ±.

Случайные погрешности (ошибки измерения) могут иметь самое разнооб­разное происхождение. В большинстве случаев - это влияние окружающей сре­ды (температура, влажность, электрические наводки и т. п.). Если причины слу­чайных ошибок известны, то эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений характеризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка (mean error), среднеквадратическая ошибка (mean quadratic error) или стандартное отклонение (standard deviation) и разброс (variance).

Различают абсолютные и относительные погрешности измерения.

Абсолютная погрешность A (absolute error of a measurement) - это раз­ность между измеренным X и истинным Х_и значениями измеряемой величины. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины

Δ=X-Xu (1.3)

Поскольку истинное значение измеряемой величины определить невозмож­но, вместо него в практике используют действительное значение измеряемой ве­личины Х_д, которое находят экспериментально по показаниям образцовых изме­рений. Таким образом, абсолютную погрешность находят по формуле

Δ=X-Xδ (1.4)

Относительная погрешность S (relative error of a measurement) представ­ляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (дейст­вительному) значению измеряемой величины, выраженной в процентах:

δ=±(Δ/Xu)100≈±Δ/Xδ*100 (1.5)

Относительная погрешность измерительного прибора д_п равна отношению абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой им величины. Ее, как правило, выражают в процентах:

δ_n=±(Δ_n/Xδ)*100 (1.6)

Условия применения средств измерений, при которых внешние факторы - влияющие величины (температура и влажность окружающего воздуха, характер вибрации, напряжение питания, величина внешнего магнитного и электрическо­го поля и т. д.) находятся в пределах нормальной области значений, называются нормальными условиями применения средств измерений. Нормальные условия оговариваются в технических условиях предприятий-изготовителей средств из­мерений.

Погрешность средств измерений, используемых в нормальных условиях, называется основной погрешностью. Изменение погрешности средств измере­ний, вызванное отклонением одной из влияющих величин от нормального зна­чения, называется дополнительной погрешностью.

Вариацией (variation) показаний прибора называется разность между зна­чениями отдельных показании прибора, соответствующих одному и тому же значению измеряемой величины, полученных при приближении к нему как от меньших значений к большим, так и от больших к меньшим.

Вариация обычно выражается в процентах от принятого нормирующего значения:

в=((X1-X2)/X_N)*100 (1.7)

где X1 и Х2 - значения измеряемой величины при прямом и обратном направле­ниях подхода к данной точке измерения; Х\ - нормирующее значение.

Чувствительность (sensitivity) средств измерения - отношение прираще­ния сигнала Ау средства измерений к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала Ах. В общем случае чувствительность

Чувствительность средства измерения определяется по формуле

(1.8)

где = - - диапазон изменения выходного сигнала; = - - диапазон изменения входного сигнала.

Порог чувствительности определяет наименьшее изменение значения измеряемой (входной) величины, способное вызвать малейшее изменение показания измерительного прибора или выходного сигнала преобразователя. Порог чувст­вительности обычно выражают в долях абсолютного значения допускаемой ос­новной погрешности средства измерения.

Статическая характеристика измерительного преобразователя пред­ставляет собой зависимость между выходной у и входной х величинами в уста­новившемся (статическом) режиме:

у=f(x). (1.9)

Статическая характеристика может быть выражена формулой или графиком (рис. 1.5), где показаны линейная 1, нелинейная 2 и релейная 3 характеристики.

Рис. 1.5. Статические характеристики измерительного преобразователя

 

Важными статическими параметрами являются: разрешающая способность, линейность, дрейф нуля, рабочий диапазон, воспроизводимость результата.

Разрешение (resolution) - наименьшее изменение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и точно показано датчиком.

Линейность (linearity) определяется градуировочной кривой датчика.

Дрейф (drift) - отклонение показаний измерительного преобразователя при постоянной измеряемой величине. Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением окружающих условий (например, температуры, давления, влажности), параметров электроснабжения и др.

Рабочий диапазон (operating range) датчика определяется допустимыми верхним и нижним пределами значения входной величины или уровнем выход­ного сигнала.

Постоянство показаний измерительного прибора или выходного сигнала из­мерительного преобразователя обычно характеризуется вариацией, которая про­является в неоднозначности хода статической характеристики прибора или пре­образователя при увеличении и уменьшении измеряемой или входной величины.

Воспроизводимость (reproducibility) характеризуется как отклонение между несколькими последовательными измерениями при заданном значении измеряе­мой величины в одинаковых условиях.

Свойства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся ВХОДНЫХ воздействий, называются динамическими характеристиками (dynamic charac­teristic). Они существенно влияют на работу системы управления. Идеальный из­мерительный преобразователь мгновенно реагирует на изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчику необходимо некоторое вре­мя на обработку нового входного сигнала. Очевидно, что ДЛЯ адекватного ото­бражения реальных изменений наблюдаемой величины время реакции датчика должно быть как можно меньше. Это тот же самый принцип, который применя­ется ко всей системе управления процессом реального времени в целом: времен­ные характеристики физического процесса определяют быстродействие системы.

В общем случае линейная или линеаризованная статическая характеристика средства измерения описывается уравнением вида

у = а + кх, (1.10)

где а - постоянная, имеющая размерность у; к - коэффициент, имеющий размер­ность у/х.

Если линейная статическая характеристика средства измерения проходит через начало координат (рис. 1.5), то уравнение (1.10) принимает вид:

у = кх. (1.11)

Входящий в уравнения (1.10), (1.11) коэффициент к называют коэффициен­том передачи. Понятие коэффициента передачи распространяется на отдельные элементы, обладающие свойством направленной передачи воздействий, и на средства измерения в целом. Однако такие средства измерений, как измеритель­ные приборы, характеризуют не коэффициентом передачи, а чувствительностью 5

 

Динамической характеристикой измерительного преобразователя назы­вают зависимость, определяющую изменение выходной величины как реакцию на известное изменение входной величины. Она также может быть выражена ма­тематической моделью или графиком (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Динамические характеристики ИП: а - ступенчатое входное воздействие; б - формы

переходных процессов

 

 

Глава 2. Измерение температур

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Значение этого параметра обуславливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела.

Тепловые процессы связаны с изменением температуры тела (кинетической энергией молекул) и его агрегатного состояния (потенциальной энергией моле­кул). Изменения тепловой энергии тела возможны двумя различными методами: либо совершением механической работы (трение, деформация), либо теплообме­ном - процессом непосредственного распространения тепловой энергии от одного тела (более нагретого) к другому (более холодному). Теплообмен в свою очередь происходит тремя путями: теплопроводностью, конвекцией или тепловым излу­чением. В контактной термометрии используется такая форма теплопроводности, как теплоотдача - теплообмен между поверхностью твердого тела и соприкасаю­щимся с ним теплоносителем (газ, пар, жидкость). Бесконтактная термометрия, или пирометрия, основана на принципе теплового излучения.

Градуировка реальных термометров проводится с помощью температурных шкал и тех международных и национальных эталонов, образцовых средств изме­рения, рабочих эталонов и поверочных средств, которые реализуют эти шкалы. Построение всех практических (условных) температурных шкал основано на ис­пользовании двух или более так называемых реперных (опорных, поверочных, постоянных) точек - высокостабильных точек фазовых переходов между агрегат­ными состояниями чистого вещества. Эти точки являются материальными носи­телями понятия температуры, так как их температура постоянна, зависит только от степени чистоты вещества и абсолютного давления, при котором совершаются фазовые переходы.

Реперные точки выбираются исходя из их долговременной стабильности, возможности измерений в них температуры с высокой точностью и их положения в контролируемом температурном диапазоне. В перечень реперных точек темпе­ратурной шкалы могут включаться точки температуры равновесия конкретного вещества как между его твердой и жидкой фазами (точки плавления или затвер­девания), жидкой и газообразной (точки кипения или конденсации), так и между твердой, жидкой и газообразной (тройные точки). В точках фазовых переходов чистого вещества теплообмен не приводит к изменению его температуры до тех пор, пока оно находится в двух- или трехфазном состоянии. Благодаря именно наличию "горизонтальной температурной площадки" на графике фазового пере­хода можно зафиксировать указанные температурные точки как постоянные. Ос­новой построения привычной шкалы Цельсия являются две реперные точки: плавление льда и кипение дистиллированной воды, значения которых условно были приняты соответственно как 0°С и 100 °С (при нормальном атмосферном давлении) с равномерной шкалой между ними.

В настоящее время в соответствии с Международной температурной шкалой МТШ-90 единицей измерения температуры является Кельвин (К). Связь между температурами Т(°С) и Т(К) определяется следующим уравнением:

T(⁰C) = Т(К)-273,15.

Из всего многообразия методов измерения температуры и измерительных средств в металлургии широкое распространение получили термопреобразовате­ли сопротивления, термоэлектрические преобразователи и пирометры излучения.

Первые две разновидности датчиков используются для контроля температу­ры охлаждающей воды, подогретых газов и воздуха, поступающих к горелочным устройствам, отходящих продуктов сгорания, футеровки агрегатов, жидких ме­таллов, шлака и др. Пирометры применяются для измерения температуры насадок регенераторов, свода нагревательных печей, жидкого металла и шлака и др.

Преобразователи температуры создают электрический выходной измери­тельный сигнал для дистанционной передачи. По способу обработки и отображе­ния этого сигнала преобразователи подразделяют на первичные (без обработки и отображения сигнала) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразова­телей, обрабатывают его и отображают значение температуры). Классификация вторичных приборов разнообразна, динамично меняется с развитием технологии и включает в себя как простейшие устройства типа измерительного моста, так и сложные многоканальные многофункциональные преобразователи и микропро­цессорные системы. Выше отмечалось, что тенденция развития измерительных средств, и, в частности, первичных преобразователей, проявляется в их "интел­лектуализации", т.е. расширении функциональных возможностей и переносе час­ти функций по обработке и отображению данных с вторичных приборов в пер­вичные.

 

2.1. Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (resistance tem­perature) или резистивных детекторов температуры (resistance temperature de­tector) основан на способности металлов или полупроводниковых материалов из­менять электрическое сопротивление с изменением температуры. Эффект объяс­няется увеличением кинетической энергии колебаний ионов в узлах кристалличе­ской решетки металла и рассеиванием вследствие потока свободных электронов.

Для изготовления чувствительных элементов термометров применяется мед­ная, платиновая или никелевая проволока.

У термопреобразователей сопротивления (ТС) из меди (ТСМ) и никеля (ТСН) сопротивление R_t изменяется в зависимости от температуры t линейно:

R_t=R₀(1 + αt), (2.1)

где Ro - сопротивление термометра при 0°С; α - температурный коэффициент сопротивления проволоки (ТКС).

ТКС металлов имеет положительное значение (α>0) в отличие от ряда полу­проводников, у которых оно отрицательное (α<0): при возрастании температуры их сопротивление уменьшается. Чем больше ТКС, тем выше чувствительность элемента к малым изменениям температуры. Диапазон измеряемых температур для ТСМ -200++200 °С.

Зависимость сопротивления платиновой проволоки от температуры в интер­вале от 0°С до +850 °С описывается выражением

R_t=R₀ (1 + At + Bt²), (2.2)

где А, В - постоянные коэффициенты.

Градуировка металлических ТС выполняется по двум реперным точкам: точ­ке плавления льда при 0°С и точке кипения воды при 100 °С. В этих точках соот­ветственно определяются R₀ и R₁₀₀. Относительное сопротивление W_t в любой точке шкалы определяется как отношение R_T/ R₀ - значения R₀ и W₁₀₀ приведены в ГОСТ 6651-94 для каждого типа ТС как их номинальная статическая характери­стика НСХ. Здесь для каждого типа ТС указывается предпочтительно допусти­мый набор значений R₀, W₁₀₀, диапазон измеряемых температур, класс допуска, условные обозначения ТС и ряд других требований.

Полупроводниковые термометры сопротивления, которые называют термисторами, применяются в диапазоне температур -90 + +180 °С. Чувствительные элементы изготовляются из оксидов меди, марганца, никеля, кобальта и других металлов. Сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону

R_t = Ае^-B/t,

где А и В - постоянные, зависящие от свойств полупроводника.

На рис. 2.1 приведены типовые конструкции ТС. Проволочный термометр сопротивления содержит чувствительный элемент (представляет собой бифиляр- ную намотку платиновой проволоки диаметром 0,07+0,5 мм для ТСП или медной 0,1+3,2 мм ддя ТСМ на изоляционный плоский или цилиндрический каркас -слюду, стекло, керамику), выводы которого через утолщенные подводящие про­вода соединены с внутренними соединительными проводами, идущими на выход ТС. Чувствительный элемент вместе с соединительными проводами упаковывает­ся в электроизоляцию, помещается в защитную металлическую арматуру и под­ключается к головке ТС, в которой размещены контакты для присоединения внешних соединительных проводов от вторичного прибора (рис. 2.2).

 

Рис. 2.1. Типовые конструкции ТС

Рис. 2.2. Конструкция ТС.

 

В последние годы за рубежом, а сравнительно недавно и в России, на смену проволочным ТС, для которых характерны относительно большие размеры чувст­вительного элемента, инерционность, трудоемкость сборки и др., появляются пленочные ТС, позволяющие уменьшить габариты, их инерционность и обеспе­чить массовое (интегральное) изготовление с точной лазерной подгонкой НСХ (зарубежные изготовители выпускают преимущественно платиновые пленочные ТС).

Рабочее значение сопротивления ТС измеряется вторичным прибором. ГОСТ 6651-94 устанавливает несколько вариантов схем подключения внутренних, а следовательно, и внешних проводников от вторичного прибора к выходам чувст­вительного элемента: двухпроводную, трехпроводную (позволяет учитывать изменение сопротивления внешних проводов от температуры окружающей среды) и четырехпроводную (позволяет учитывать как изменение сопротивления внешних проводников, так и паразитную термо-ЭДС, возникающую в месте соединения наружных и внутренних проводников ТС). Для двухпроводной схемы на сопро­тивление внешних проводов R_BНЕШ накладывается жесткое ограничение - не более 0,1% R₀. Допустимая длина внешних проводов по трех- и четырехпроводной схе­мам подключения, которая может достигать 1-3 км, зависит от НСХ преобразо­вателей, характеристик вторичных приборов, сечения соединительных проводни­ков.

Схемы измерения сопротивления ТС вторичным прибором разнообразны и, в частности, могут базироваться на принципе уравновешивания измерительного моста (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схемы измерения сопротивления ТС

 

Выпуск проволочных ТС в России осуществляют многие предприятия, в ча­стности, обнинская компания "Тесей", омский завод "Эталон", челябинский завод "Теплоприбор" и др. Освоен выпуск пленочных ТСМ и ведутся работы по серий­ному изготовлению пленочных ТСП, аналогичных зарубежным.

Промышленная группа "Метран" предлагает серию термопреобразователей "Метран-200", в датчиках которых форма головки нетрадиционна: она выполнена в стиле, согласующемся с конструктивным стилем датчиков давления серии Мет­ран. Размеры головки позволяют встраивать различные функциональные устрой­ства, которые обеспечивают предварительную обработку измеряемого параметра и преобразовывают обработанный сигнал в форму, удобную для дальнейшей пе­редачи информации, в том числе и на устройства верхнего уровня.

На рис. 2.4 представлены термопреобразователи сопротивления Метран-200, в табл. 2.1 - стандартный ряд монтажных длин термопреобразователей медных ТСМ Метран-203 (50 м).

 

Рис. 2.4. Конструкция ТС Метран-200

 

Стандартный ряд монтажных длин

Таблица 2.1

L,mm

Рис.1

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Рис.2

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Рис.3

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+