Автоматизация технологических процессов и производств. Общие сведения о технических измерениях. Раздел 2

1. Автоматизация технологических процессов и производств

МДК 01.04

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Раздел 2

3.

Величина – это количественная оценка какого-либо
свойства объекта. Величины могут быть реальные и
идеальные.
Идеальные величины – это математические понятия,
они вычисляются тем или иным способом.
Реальные величины делятся на физические и
нефизические. Физическая величина в общем случае
может быть определена как величина, свойственная
материальным
объектам
(процессам,
явлениям),
изучаемым в естественных и технических науках.
К нефизическим следует отнести величины, присущие в
основном общественным наукам (социологические,
экономические величины и т.п.), редко в технических
(показатели надёжности и отказоустойчивости приборов,
количество информации в битах и т.п.)

4.

Физические величины (ФВ) могут быть разделены
на измеряемые и оцениваемые.
Измеряемые ФВ могут быть выражены
количественно в виде определенного числа
установленных единиц измерения. Это является
важным отличительным признаком измеряемых ФВ.
Физические величины, для которых по тем или
иным причинам не может быть введена единица
измерения, могут быть только оценены. Под
оцениванием в таком случае понимается операция
приписывания данной величине определенного
числа некоторой условной шкалы, называемой
шкалой порядка.

5.

ФВ также делятся на основные (условно
независимые), производные (условно зависимые) и
дополнительные.
В настоящее время в системе СИ используется семь
физических величин, выбранных в качестве основных:
длина,
время,
масса,
температура,
сила
электрического тока, сила света и количество
вещества.
К дополнительным физическим величинам
относятся плоский и телесный углы.
По наличию размерности ФВ делятся на
размерные,
т.е.
имеющие
размерность,
и
безразмерные (например, число Рейнольдса).

6.

Измерение
–
совокупность
операций
для
определения отношения одной (измеряемой) величины
к другой однородной величине, условно принятой
всеми участниками за единицу, хранящуюся в
техническом средстве (средстве измерений).
Измерение физической величины проводится
опытным путём с помощью средств измерений. При
этом на всех участников процесса измерения (объект
измерения,
средство
измерения
и
человек)
воздействуют влияющие физические величины –
различные внешние факторы, поэтому результат
измерения всегда будет отличаться от измеряемой
величины на значение погрешности измерения.

7.

Получившееся в результате измерения значение
называется числовым значением измеряемой
величины,
числовое
значение
совместно
с
обозначением используемой единицы называется
значением физической величины.

8.

Основными понятиями теории измерений являются
принцип измерений, вид измерений и метод
измерений.
Принцип измерений – физическое явление или
эффект, положенный в основу измерений, например,
изменение сопротивления металлов при нагревании.
Вид измерений – область измерений, выделяемая
по какому-либо классифицирующему признаку.
Метод измерений – приём или совокупность
приёмов
сравнения
измеряемой
физической
величины с её единицей в соответствии с
реализуемым принципом измерений.

9.

Измерения могут быть сгруппированы по
разным признакам.
а) Например, по характеру изменения
измеряемой величины они делятся на статические
и
динамические.
Статическими
называют
измерения, при которых измеряемая величина
остается постоянной в процессе измерения.
Динамическими называют измерения, при
которых измеряемая величина в процессе
измерения изменяется.

10.

б) В зависимости от способа получения результата
измерения можно выделить следующие группы.
Прямые измерения, при которых искомое значение
измеряемой величины находят непосредственно из
опытных данных, отсчитывая его по шкале СИ (самый
распространенный способ).
Косвенные измерения, при которых измеряют не
саму искомую величину, а другие, связанные с
искомой известной функциональной зависимостью.

11.

Совместные измерения – это производимые
одновременно измерения нескольких разнородных
величин для нахождения зависимости между ними.
Совокупные измерения – это производимые
одновременно прямые измерения нескольких
одноименных величин в различных сочетаниях.
Искомые значения этих величин находят решением
полученной системы уравнений.

12.

Методы измерения делятся на три группы: метод
непосредственной оценки и два метода сравнения с
мерой – дифференциальный и нулевой.
Метод непосредственной оценки (МНО) – метод,
при котором значение величины определяют
непосредственно
по
отсчетному
устройству
измерительного прибора. Этот метод наиболее
прост, но точность измерения невысока из-за
воздействия влияющих величин и погрешностей
градуировки приборов. Наиболее многочисленной
группой СИ, реализующих МНО, являются
показывающие приборы.

13.

Метод сравнения с мерой подразумевает сравнение
измеряемой
величины
с
величиной,
воспроизводимой мерой. В зависимости от
используемой меры (постоянной или регулируемой)
он подразделяется на дифференциальный и нулевой.
Дифференциальный
(разностный)
метод
предусматривает измерение разности а между
измеряемой величиной хи постоянной мерой Хм . Она
определяется элементом сравнения (ЭС):
±а = х −хм ; х = хм ± а
Результат хотсчитывается по значению разности a
по отсчётному устройству с учетом меры хм . Точность
этого метода тем выше, чем меньше разность a .

14.

При нулевом методе измеряемая величина x
уравновешивается регулируемой мерой. Нульиндикатор (НИ) фиксирует разность ±а = х − хм = 0;
отсчётное устройство (ОУ) представляет это значение
меры как результат измерения: х = хм . Нулевые
методы являются наиболее точными, т.к. в этих
методах
измеряемая
величина
полностью
уравновешивается или замещается значением меры
данной величины, поэтому их точность зависит от
точности самих мер.

15.

На рисунке показаны примеры методов измерений.

16.

В соответствии с Законом об обеспечении единства
измерений, средство измерения – это техническое
средство, предназначенное для измерений, имеющее
нормированные метрологические характеристики,
воспроизводящее
и
(или)
хранящее
единицу
физической величины, размер которой принимают
неизменным (в пределах установленной погрешности) в
течение известного интервала времени.
По техническому назначению СИ делятся на
несколько групп, базовыми из которых являются меры,
измерительные преобразователи и измерительные
приборы. Остальные группы собираются, как
конструктор, из этих базовых элементов.

17.

Мера
ФВ
–
СИ,
предназначенное
для
воспроизведения и (или) хранения ФВ одного или
нескольких заданных размеров, значения которых
выражены в установленных единицах и известны с
необходимой точностью.
Однозначная мера – это мера, воспроизводящая ФВ
одного размера (например, гиря).
Многозначная мера воспроизводит ФВ разных
размеров (например, штриховая мера длины).
Набор мер – это комплект мер разного размера
одной и той же ФВ, предназначенный для применения
как в отдельности, так и в различных сочетаниях.
Магазин мер конструктивно объединен в единое
устройство, в котором имеются приспособления для их
соединения в различных комбинациях.

18.

Измерительный преобразователь – СИ,
служащее для преобразования измеряемой
величины в другую физическую величину или
измерительный сигнал, удобный для обработки,
хранения,
дальнейших
преобразований,
индикации или передачи. Информация с выхода
измерительного преобразователя недоступна
для восприятия наблюдателем. Он используется
совместно с каким-либо средством измерения.
Часто в качестве синонима используется
термин
датчик
—
это
конструктивно
обособленный первичный преобразователь, от
которого поступают измерительные сигналы

19.

Основным отличием датчика от измерительного
преобразователя является именно конструктивная
обособленность, т.е. датчик имеет отдельный корпус,
может быть удален от измерительной аппаратуры, на
которой отображаются результаты измерения, на
некоторое расстояние, передавая при этом сигнал об
измеряемом параметре по измерительной цепи.
Измерительный прибор – СИ, предназначенное для
получения
значений
измеряемой
физической
величины в форме, доступной для непосредственного
восприятия наблюдателем.
Таким образом, основное отличие прибора от
измерительного преобразователя – это наличие
шкалы.

20.

По выполняемым функциям приборы бывают
четырех типов.
Показывающий ИП допускает только отсчет
показаний, регистрирующий обеспечивает запись
показаний на диаграмму или печать значений в
графической или цифровой форме. Сигнализирующий
ИП подает световой или звуковой сигнал при
достижении измеряемой величиной определенного
значения, а интегрирующий суммирует показания за
определенный промежуток времени.
По виду выходного сигнала приборы делятся на
аналоговые и цифровые. У аналогового ИП показания
являются
непрерывной
функцией
измеряемой
величины, а у цифрового ИП выходной сигнал
дискретный.

21.

Метрологическая характеристика (MX) средства
измерения – это характеристика, влияющая на
результат измерений и на его погрешность.
Для каждого типа СИ устанавливаются свои МХ,
устанавливаемые
в
нормативно-технической
документации (НТД) на данное СИ. Они называются
нормируемыми
MX,
а
определяемые
экспериментально – действительными МХ.
В качестве нормируемых МХ обычно используется
усредненная характеристика преобразования.
Действительные
МХ
СИ
определяют
при
изготовлении СИ и периодически проверяют в
процессе эксплуатации.

22.

Статическая
характеристика
(СХ)
–
это
функциональная зависимость выходной величины y
от входной x в статическом режиме. При этом
режиме входные и выходные величины СИ не
изменяются во времени.
Для
измерительных
преобразователей
и
измерительных приборов с неименованной шкалой
или со шкалой, отградуированной в единицах,
отличных от единиц измеряемой величины, СХ
называется также функцией преобразования, а для
остальных
измерительных
приборов
–
характеристикой шкалы.

23.

Важным
параметром
СИ
является
его
чувствительность. Чувствительность СИ – это
свойство, определяемое отношением изменения
выходного сигнала этого средства к вызывающему
его изменению измеряемой величины.
Характеристикой чувствительности является угол
наклона статической характеристики к оси абсцисс
(для линейных СХ) или касательной к этой
характеристике в точке отсчёта (для нелинейных СХ),
которые численно равны ей.
Если СХ линейна, то чувствительность СИ
постоянна во всем диапазоне. Если же нет, то можно
говорить о чувствительности в конкретной точке СХ.

24.

В любом средстве измерения существует некоторое
наименьшее
значение
изменения
измеряемой
величины, начиная с которого может осуществляться ее
измерение. Оно называется порог чувствительности СИ
и выражается в единицах измеряемой величины.

25.

Динамическая характеристика СИ – это зависимость
выходного сигнала от входного в динамическом режиме
(в этом режиме входные и выходные величины
изменяются
во
времени).
Динамический
(неустановившийся, или переходный) режим – переход СИ
из одного установившегося режима в другой.
Так как практически все СИ имеют в своём составе
инерционные элементы, то при мгновенном изменении
входного сигнала выходной сигнал изменяется с
запаздыванием по определённому закону (кривые
разгона). Закон изменения этих характеристик различный.
Динамические
характеристики
описываются
различными способами, чаще всего - переходной
функцией. Так называется реакция устройства на
ступенчатое изменение измеряемой величины.

26.

Важным параметром динамического режима
является
время
завершения
переходного
процесса(промежуток времени