В технических системах

М.Э. Шошиашвили

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ В ГИДРО- И ПНЕВМОСИСТЕМАХ»
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Общие сведения об измерении и контроле

в технических системах

Прежде чем рассматривать различные средства измерения и контроля различных параметров технологических процессов, остановимся на основных понятиях, которые связаны с самим измерением и его средствами.

Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Конечной целью любого измерения является получение количественной информации об измеряемой величине. В процессе измерения устанавливается, во сколько раз измеряемая физическая величина больше или меньше однородной с нею в качественном отношении физической величины, принятой за единицу. Таким образом, как это следует из приведенного определения, основная идея измерения базируется на методе сравнения, согласно которому измеряемая величина сравнивается с некоторой образцовой мерой.

Средством измерения называют техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Существует три основных вида средств измерения: меры, измерительные преобразователи и измерительные приборы. Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Примерами мер являются катушки индуктивности, катушки сопротивления, различные емкости.

Измерительный преобразователь (ИП) – 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 к измерительному преобразователю часто применяют термин «датчик».

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

Точность результата измерения характеризуется абсолютной и относительной погрешностями. Абсолютная погрешность – это разность между полученным значением измеряемой величины Х_из и ее действительным значением Х_д:

D = Х_д - Х_из.

Отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах, называют относительной погрешностью:

.

Погрешности измерения в зависимости от их происхождения разделяются на группы: систематические погрешности, случайные погрешности и субъективные погрешности. Для датчиков и различных преобразователей важную роль играют систематические погрешности, которые имеют постоянный характер и по причинам возникновения делятся на инструментальные, погрешности установки, погрешности, возникающие вследствие внешних влияний, методические погрешности.

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

Методические погрешности возникают в результате несовершенства метода измерений и теоретических допущений.

Остановимся более подробно на понятии датчик и измерительный преобразователь. ИП, к которому подведена измеряемая величина, т.е. первый в канале измерения (измерительной цепи), называется первичным ИП. Например, сужающее устройство (диафрагма) для измерения расхода, электрод сигнализатора уровня и т.п. Следует отметить, что один и тот же элемент первичной информации в зависимости от характера применения может выполнять функции измерения и преобразования контролируемого параметра одновременно (такие элементы и называют датчиками), а может осуществлять только преобразования. Так, например, элементы потенциометрического и индуктивного типа, используемые для получения информации об объекте, управляемой координатой которого является линейное или угловое перемещение нужно рассматривать как датчики, так как эти элементы выполняют функции измерения и преобразования управляемого параметра одновременно. Однако эти элементы автоматики, используемые для получения информации о других физических параметрах (давлении, усилии, скорости) будут выполнять только функции преобразователя, поскольку в качестве измерителей применяются другие чувствительные к измерению этих параметров элементы (различные упругие элементы).

По принципу действия все датчики разделяются на два класса: параметрические и генераторные.

Параметрическими называют датчики, преобразующие входную величину в изменения какого-либо параметра (сопротивления, индуктивности, емкости) электрической цепи или магнитной проницаемости ферромагнитных сердечников. Для получения выходного сигнала к такому датчику следует подвести э.д.с. от внешнего источника.

Генераторными называют датчики, в которых входная контролируемая величина преобразуется в э.д.с. Эти датчики сами служат источниками электрической энергии, вырабатываемой в результате взаимодействия с объектом или средой.

Датчики в большинстве случаев, в отличие от других элементов автоматики, находятся и действуют в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Они нередко подвергаются воздействию резких перемен температуры, высоких уровней вибрации, ударных нагрузок, агрессивных сред, высокой запыленности и влажности окружающей среды.

Датчик, прежде всего, должен иметь большую чувствительность и малую инерционность.

Чувствительностью датчика k называют отношение изменения электрического параметра D y на выходе к изменению контролируемого параметра D х:

На практике чаще пользуются понятием относительной чувствительности S:

Чем выше чувствительность датчика, тем меньше влияние помех на точность выходного сигнала и тем проще, в случае необходимости, последующее усиление.

Инерционностью датчика называют его способность выдавать на выходе сигнал с большим или меньшим запаздыванием при мгновенной подаче сигнала на вход. Величина инерционности работы датчика влияет на погрешность измерения или управления. Чем меньше инерционность датчиков, тем благоприятней работа систем автоматики.

Кроме высокой чувствительности и малой инерционности, к датчикам предъявляют следующие требования: определенность и однозначность зависимости между входной и выходной величинами; минимальное обратное воздействие на входную величину или полное его отсутствие; стабильность параметров и характеристик во времени и при изменениях внешних условий; высокая перегрузочная способность и долговечность; устойчивость к воздействиям посторонних факторов; простота устройства, малые размеры и масса; удобство монтажа, обслуживания, ремонта и наладки.