Измерительные преобразователи и приборы

Измерительный преобразователь — это 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 применяется термин «датчик»).

Преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый элемент в измерительной Цепи, называется первичным измерительным преобразователем (рис. 1.3). Например, электрод сигнализатора уровня, сужающее устройство (диафрагма) для из­мерения расхода и т. п.

В системах автоматического контроля применяются устрой­ства для выдачи сигнала о выходе значения параметра за установ­ленные пределы, причем сигнал появляется при наличии самого факта выхода независимо от его размера. Такие устройства назы­вают датчиками-реле или сигнализаторами.

Для удовлетворения возросших потребностей создана Государст­венная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), представляющая собой организованную совокупность средств измерений, автоматизации и управляющей вычислительной техники, а Также программных средств для построения автомати­ческих систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линями и агрегатами (ГОСТ 26.207—83 «ГСП. Основные положе­ния»). Номенклатура технических средств ГСП позволяет создавать самые разнообразные, любой сложности системы автоматичес­кого регулирования и управления из стандартизованных средств измерения и автоматизации.

В зависимости от вида энергии питания, входных и выходных сигналов ГСП разделяют на электрическую, пневматическую и гид­равлическую ветви. В инженерных системах применяют в основ­ном средства первых двух ветвей ГСП, которыми предусмотрены общепромышленные унифицированные электрические и пневма­тические сигналы передачи информации.

Средство измерения, с помощью которого измерительная ин­формация выдается в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, называется измерительным прибором. В практике автоматизации для приборов, устанавливаемых на щитах, применяется термин вторичный прибор, т. е. устройство, воспринимающее сигнал от первичного или передающего изме­рительного преобразователя и выражающее его в воспринима­емом виде с помощью отсчетного устройства (шкалы, диаграммы, интегратора, сигнального устройства).

К первичным преобразователям также относят и отборные уст­ройства. Отборным устройством (отбором) называют устройство, устанавливаемое на трубопроводах и технологических агрегатах и служащее для непрерывного или периодического отбора конт­ролируемой среды и передачи значений ее параметров к измери­тельному преобразователю или измерительному прибору. В отличие от первичного измерительного преобразователя отборное устрой­ство передает к измерительному прибору или преобразователю измеряемую величину, не изменяя ее физической природы (напри­мер, отбор давления среды в технологическом аппарате и передача его по импульсной трубке для измерения к манометру). Импульс­ной трубкой называют трубопровод небольшого диаметра (обычно от до 2^"), связывающий объект с преобразователем или изме­рительным прибором.

Совокупность средств измерений и вспомогательных уст­ройств, соединенных между собой Каналами связи, предназна­ченная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для обработки, передачи и (или) использования в системах автоматического управления, называется измерительной системой.

К вспомогательным устройствам измерительной системы от­носятся устройства, предназначенные для питания энергией средств измерения, защиты от внешних воздействий, внутренних перегрузок и т. д.

Под определением системы автоматизации следует понимать совокупность приборов и средств автоматизации (измерительной, преобразующей, передающей и исполнительной, а также управ­ляющей вычислительной техники), связанных между собой кана­лами связи в единые системы, например измерительные системы, системы автоматического регулирования, системы сигнализации, защиты и управления технологическими процессами.

В показывающих приборах измерительная информация вос­производится положением стрелки или какого-либо другого ука­зателя относительно отметок шкалы прибора. Шкала представляет собой совокупность отметок, расположенных вдоль какой-либо линии, и представленных около них чисел отсчета, соответству­ющих ряду последовательных значений измеряемой величины. Для каждого измерительного прибора устанавливается диапазон пока­заний — область значений шкалы, ограниченная начальным и ко­нечным ее значениями.

 

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Любые теплотехнические измерения относительны, по­скольку всегда существует положительная и отрицательная раз­ность между наблюдаемым или численным значением измеряемой величины и ее истинным значением, называемая погрешностью. Таким образом, погрешность — это отклонение результата изме­рения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешности измерения в зависимости от их происхождения разделяются на три группы; систематические, случайные и субъек­тивные (промахи).

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

Инструментальные погрешности могут вызываться конструк­тивными и технологическими погрешностями, а также износом и старением средств измерений.

Конструктивные погрешности вызываются несовершенством конструкции или неправильной технологией изготовления средств измерений. Плохая балансировка измерительного механизма, не­точности при нанесении отметок шкалы, некачественная сборка прибора вызывают технологическую погрешность. Конструктивная погрешность у приборов одного типа постоянна, технологическая же погрешность меняется от экземпляра к экземпляру. Длитель­ная или неправильная эксплуатация прибора, а также длительное хранение приводят к погрешностям, которые называют погреш­ностями износа и старения.

Погрешности от неправильной установки могут вызываться наклоном прибора, т. е. отклонением от нормального рабочего положения; установкой на ферромагнитный щит прибора, граду­ированного без щита; близким расположением приборов друг к другу.

Погрешности, возникающие вследствие внешних влияний, вы­зываются вибрацией, электромагнитными полями, конвекцией воздуха и др.

Наиболее сильное воздействие на показания приборов ока­зывает изменение температуры окружающей среды. Даже незна­чительные перепады температуры между отдельными элементами прибора приводят к заметным погрешностям вследствие, например, возникновения паразитных термоЭДС. Поэтому не рекомендуется устанавливать приборы вблизи источников тепла.

Методические погрешности возникают в результате несовер­шенства метода измерений и теоретических допущений (исполь­зование приближенной зависимости вместо точной). К таким погрешностям относятся, например, погрешности, обусловленные пренебрежением внутренним сопротивлением прибора, т. е. пре­небрежением собственным потреблением электроэнергии.

Для исключения погрешности до начала измерений следует определить причину, вызывающую погрешность, и устранить ее. Например, если погрешность вызывается влиянием внешнего электромагнитного поля, то нужно либо экранировать прибор, либо удалить источник помехи. Для исключения температурной погрешности средство измерения термостатируют, вибрацию уст­раняют путем установки амортизаторов. В процессе измерения погрешность устраняется применением специальных методов измерения.

Случайные погрешности вызываются независящими друг от друга случайными факторами и изменяются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Проявляются случайные погрешности в том, что при измерениях одной и той же неизменной величины одним и тем же средством измерения и с той же тщательностью получают различные показания. Следует отметить, что если при повторных измерениях одной и той же величины и тем же средством измерения получают совершенно одинаковые результаты, то это обычно указывает не на отсутствие случайной составляющей погрешности, а на недостаточную чув­ствительность средства измерения. Полностью совпадающие, как и сильно разнящиеся результаты наблюдений при измерениях одинаково свидетельствуют о их неточности. Случайные погреш­ности могут возникнуть, например, из-за трения в опорах, люфтов в сочленениях кинематической схемы измерительного прибора, неправильного режима работы электронных устройств и по многим другим, труднообъяснимым причинам. Знак случайных погреш­ностей ±.

Субъективные погрешности (промахи) — это погрешности, вызванные ошибками лица, производящего измерение (например, неправильный отсчет по шкале прибора, неверное подключение проводов к датчику и др.).

Погрешности измерений устанавливаются при поверке — опре­делении метрологическим органом погрешностей средств изме­рений и установления пригодности их к применению (применять сочетание слов поверка показаний не рекомендуется, следует гово­рить поверка средств измерений). Слово проверка применяется для установления комплектности или оценки состояния взаимодей­ствия элементов. Зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы, называется градуировочной характеристикой, определение которой называется градуировкой средств измерения (термин тарировка устарел и применять его не рекомендуется).

Различают абсолютные и относительные погрешности измере­ния. Абсолютная погрешность Δ— это разность между измеренным Χ и истинным Х _И значениями измерений, которая выражается в единицах измеряемой величины:

Δ = Х-Х _И. (1.2)

Поскольку истинное значение измеряемой величины опреде­лить невозможно, на практике используют действительное значе­ние измеряемой величины Х _Д, которое находят экспериментально по показаниям образцовых средств измерений. Таким образом, абсолютную погрешность находят по формуле

Δ≈Х-Х _д (1.3)

Относительная погрешность δ — это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины, выраженное в процентах:

δ = ±(Δ/Х_и)100 ≈ ±(Δ/Х_д)100. (1.4)

Абсолютная погрешность измерительного прибора Δ_п — это раз­ность между показанием Х _П прибора и истинным значением изме­ряемой величины. Поскольку, как указывалось выше, истинное значение величины остается неизвестным, на практике вместо него пользуются действительным значением величины Х _Д, отсчи­танным по образцовому прибору. Таким образом,

Δ_п = Х _П - Х _д (1.5)

Относительная погрешность измерительного прибора δ_П — это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой величины. Относитель­ную погрешность выражают в процентах:

δ _П= ±(Δ_П/Δ_д)100. (1.6)

Приведенная погрешность измерительного прибора ν_п — это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению X_N (выражается в процентах):

 

ν_п =±(Δ_П/Х_N)100. (1.7)

Нормирующее значение X_N— условно принятое значение, ко­торое может быть равным верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др. Как правило, за нормирующее зна­чение принимаются: конечное значение диапазона измерений (для приборов, имеющих нулевую отметку на краю шкалы); арифме­тическая сумма конечных значений диапазона измерений (для приборов, имеющих двустороннюю шкалу, т. е. нулевую отметку в середине шкалы), например, для термометра со шкалой от —50 до +50 °С величина убудет определяться суммой 50 + 50 = 100; разность конечного и начального значений диапазона измерений для приборов со шкалами без нуля (так называемые шкалы с «по­давленным нулем»), например, для прибора со шкалой 30—160 "С величина будет определяться разностью 160 — 30 = 130.

Абсолютная и относительная погрешности в соответствии с выражениями (1.5)—(1.7) связаны с приведенной следующими соотношениями:

 

Δ=ν_пХ_N/100; (1.8)

δ=δ_пХ_N/100. (1.9)

На показания приборов оказывают значительное влияние внешние факторы, называемые влияющими величинами. Область значений влияющей величины, устанавливаемая в стандартах или технических условиях на средства измерения данного вида в качестве нормальной для этих средств измерений, называется нормальной областью значений. При нормальном значении влия­ющей величины погрешность средств измерений минимальна. Условия применения средств измерений, при которых влияющие величины (температура и влажность окружающей среды, 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 указываются в техничес­ких условиях заводов — изготовителей приборов.