Трудно переоценить роль информационно-измерительной техники и измерительных технологий во всех сферах деятельности и жизни общества

Введение

Предмет посвящен изучению тех технических средств, на базе которых строятся современные системы управления в самых различных областях промышленности.

Трудно переоценить роль информационно-измерительной техники и измерительных технологий во всех сферах деятельности и жизни общества.

Ещё великий Галилео Галилей утверждал: «Надо измерять всё измеряемое и делать измеримым то, что пока ещё не поддаётся измерению». Измерение - один из важнейших способов познания. Стало крылатой фразой изречение Д.И.Менделеева: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры».

В различные исторические периоды состояние мер и измерительной техники находилось в зависимости от хозяйственной деятельности, общественных, религиозных и других факторов жизни общества.

Крупнейшие строительные работы глубокой древности на реке Ниле, строительство храмов, дворцов, надгробий в Египте возможны были только при достаточно хорошо разработанной технике линейных, поверхностных, объёмных измерений и наличии точных узаконенных мер.

Широко известны древние меры Египта, Вавилона и Руси. Принципы построения вавилонской системы мер проникли в другие страны. Вавилоняне впервые в истории народов установили единицы времени: год, час, минуты, секунды. Им же принадлежит идея построения кратных и дробных производных однородных единиц измерения.

Наиболее ранняя попытка создания узаконенных мер имела место в Греции в период правления Соломона (6 век до нашей эры). Мерой длины в то время в Греции был фут, равный приблизительно 297 мм.

В более позднее время попытка введения мер, обязательных для всех измерений и одинаковых во всей стране, имела место в Англии в 1001 и 1215 гг., во Франции в 1321 г., в Австрии в 1438 г.

В 1790 г. в Учредительном собрании Франции был поставлен вопрос о создании и узаконении единой и для всех обязательной, контролируемой государственной системы мер.

Платиновые эталоны метра и килограмма в1799 г. были переданы на хранение в архив Французской республики. Вся совокупность метрических мер, созданных и узаконенных во Франции в конце 18 века, легла в основу метрической системы мер, некоторые единицы метрических мер вошли в качестве основных единиц в систему единиц СИ.

В связи с бурным развитием науки об электричестве стали создаваться электроизмерительные приборы. Русский академик Г.В.Рихтер изобрёл в 1745 г. электрометр, А.Ампер в 1820 г. демонстрировал первый гальванометр, Карл Гаусс в 1832 г. изложил методику составления системы магнитных единиц, которую Вебер дополнил электрическими единицами.

М.О.Доливо-Добровольскому принадлежит первенство в создании индукционных приборов – ваттметра, фазометра и др.

В 1867 г. в Париже бал организован Международный комитет мер и весов, основная задача которого состояла в тщательном изучении метрических мер, сравнении их с другими мерами, выявлении и разработке возможностей использования их внутри каждой страны и для международных отношений.

В России таким учреждением было депо образцовых мер и весов (1842); с 1893 г. – главная палата мер и весов, которую возглавил Д.И.Менделеев.

Электроизмерительные приборы, имеющие более 250-летнюю историю, обязаны своим развитием работам Вольта, Ампера, Фарадея. Им принадлежит первенство в создании приборов прямого преобразования – гальванометров, амперметров, вольтметров и т.д. История создания приборов с уравновешиванием измеряемой величины начинается с 1841 г., когда предложены четырехплечевой мост (Уитстон) и компенсационный метод измерения постоянного напряжения (компенсатор Поггенорфа).

Кроме того, в 19 веке найдены основные принципы преобразования неэлектрических величин в электрические: термоэлектрический эффект (Томас Зеетек, Уильям Томсон), пьезоэффект, тензоэффект (О.Д.Хвольсон).

Дальнейшему развитию электроизмерительных приборов способствовало изобретение электронной лампы: в 1904 г. появился диод, а в 1910 г. – триод и пентод. Сочетание усилителей и выпрямителей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом позволило создать электронные вольтметры, частотометры, фазометры. Изобретение электронно-лучевой трубки в 1911 г. привело к созданию электронно-лучевого осциллографа, который становится универсальным электроизмерительным прибором. Развитие электроники дало возможность разрабатывать автоматические компенсаторы и мосты.

Таким образом, классическая основа электроизмерительной техники дополнилась приборами с автоматическим уравновешиванием и электронными измерительными приборами.

Создание микросхем, микропроцессоров и ЭВМ способствовало появлению измерительных устройств нового типа – аналого-цифровых преобразователей (АЦП), в результате чего появились цифровые измерительные приборы (ЦИП).

Интенсивное развитие ЦИП, обладающих рядом преимуществ по сравнению с «нецифровыми» приборами, определило развитие измерительной техники 20 века.

Усложнение технологии производства, развитие научных исследований в различных областях жизни привело к необходимости измерения сотен и тысяч параметров одновременно. Появился новый класс информационно-измерительной техники – информационно-измерительные системы, выполняющие роль сбора, обработки, передачи, хранения, отображения и воздействия на объект исследования или управления.

Работы в области информационно-измерительной техники и измерительных технологий позволили в последние годы создать новый раздел теории и практики измерений – виртуальные и интеллектуальные измерительные приборы и системы. Информационно-измерительная техника играет большую роль в информатизации общества.

Сеть Интернет является новой прогрессивной формой использования распределённых информационных и вычислительных ресурсов. Некоторые организации располагают уникальным или дорогостоящим измерительным оборудованием, к которым можно отнести, например, оптические анализаторы спектра, часто требующие размещения в специально оборудованных помещениях. Ранее такое оборудование использовалось, как правило, неэффективно из-за низкой загрузки ввиду его доступности для малого числа пользователей. С появлением глобальных сетей открываются новые перспективы для коллективного использования таких измерительных систем, в том числе в рамках международного сотрудничества.

Перед наукой и практикой в области измерений стоят сложные задачи по развитию теории виртуальных и интеллектуальных систем, методов прогнозирования и исключением погрешностей в реальном времени при быстротекущем процессе, систем автоматизированного проектирования приборов и систем, по развитию общей теории измерений и теории погрешностей, по созданию средств измерений на основе лазерной техники, оптоэлектроники, оптоволоконной оптики.

Развитие информационно-измерительной техники и измерительных технологий будет способствовать открытию новых областей знаний и научно-инженерному прогрессу.

 

I. Классификация систем управления.

 

1. Локальные системы контроля регулирования и управления (ЛСКРиУ).

2. Централизованные системы контроля регулирования и управления (ЦСКРиУ)

3. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП)

 

 

 

Рис. 1. Схема ЛСКРиУ

 

ТОУ – технологический объект управления

Д – датчик

УСО – устройство связи с оператором

ЛПР – лицо, принимающее решение

ЛР – локальный регулятор

ИУ – исполнительное устройство, изменяет величину регулирующего параметра

РУ – ручное управление

Локальные системы управления эффективны при следующих условиях:

1) при технологически независимых ОУ.

2) при несложных целях управления.

3) когда хорошо отработана технология.

4) при стационарных условиях эксплуатации.

 

Централизованные системы управления появились в результате увеличения числа регулируемых и контролируемых параметров, а также в связи с территориальной рассредоточенностью объектов управления.

 

 

Рис.2.Схема централизованной системы управления.

ВП – вторичный преобразователь

УОИ – устройство отображения информации

ЦПКиУ - центральный пульт контроля и управления

ЗУ – задающее устройство

ДУ – дистанционное управление

ЛКУ – логико-командное управление

ИУ ИМ – исполнительное устройство, механизм

 

Рис. 3 Схема централизованной системы с многоканальным управлением

 

КК – коммутатор каналов

МВП – многоканальный вторичный преобразователь

МЛКУ – многоканальное логико-командное управление

РК – распределитель каналов

 

Для сокращения технических средств и оборудования, а также для уменьшения эксплуатационных расходов в централизованных системах управления стали применять многоканальные средства. РК и КК подключается к индивидуальным устройствам канала, образуя при этом замкнутый контур управления. Цели и задачи те же: поддержание заданного параметра и оптимальное управление.

 

Следующий уровень управляющих систем – АСУ ТП может включать в себя как локальные, так и централизованные системы управления, состав и конфигурация такой системы зависят от уровня сложности и в каждом случае индивидуальны. Такие системы решают самые разнообразные задачи, включая экстремальное и адаптивное управление.

 

 

II. Элементы систем автоматического регулирования и управления.

 

Информация по мере продвижения претерпевает изменения, связанные с её получением, преобразованием, хранением, отображением, передачей, использованием.

В системах управления используют:

1) Энергетические информационные параметры.

2) Вещественные информационные параметры.

Изменение информационного параметра – сигнал информации.

1 – электрические, гидравлические, пневматические.

2 – печатные документы, перфокарты, информация на дискетах.

 

Энергетические:

1) Аналоговые (непрерывные).

2) Дискретные (подаются в определённые промежутки времени).

 

Аналоговые сигналы преобразуются в дискретные операцией квантования. Помимо неё осуществляется кодирование. Обратная операция – декодирование. Эти два сигнала подвергаются модуляции и демодуляции при передаче по каналам связи средствами: модулятором и демодулятором.

 

 

Классификация средств автоматизации.

 

Все изменения, происходящие с информацией во время её движения, осуществляется в отдельных частях автоматизированных систем (отдельными техническими средствами). Простейшее устройство, выполняющее одну или несколько операций над информационным сигналом – элемент автоматизированных систем.

Все элементы делятся:

I. Средства получения, преобразования и нормирования первичной технологической информации (1,2).

II. Средства приёма, преобразования и передачи информации по каналам связи (8,9,10).

III. Средства хранения и обработки информации для выработки сигналов управления (3,4,5,6,7,11,12,13,15).

IV. Средства преобразования и передачи командной информации (8,9,10).

V. Вспомогательные средства, обеспечивающие функционирование остальных групп (14,16).

 

1. Первичные преобразователи.

2. Нормирующие преобразователи.

3. Средства индикации и сигнализации.

4. Регистраторы.

5. Блоки памяти.

6. Устройства запоминания и хранения информации для оператора.

7. Устройства обработки информации (процессор).

8. Передатчики (шифраторы).

9. Линии связи.

10. Приёмники (дешифраторы).

11. Ручные задатчики.

12. Регулирующие блоки.

13. Программные задатчики.

14. Усилители.

15. Анализаторы.

16. Исполнительные устройства.

 

 

Рис. 4. Локальная система управления

 

В локальных СУ информация о состоянии объекта, процессах, протекающих в нём и конечных результатах его работы, собирается группой получения контрольной информации; устройства 1и 2 расположены на ОУ. Сигналы измерительных преобразователей нормируются преобразователями «2» и по каналам передачи информации (II) с помощью передатчиков (8) каналов связи (9) и приёмников (10) передаются группе средств функциональной обработки (III) с блоками сравнения и выработки управляющих командных сигналов. В соответствии с заданным алгоритмом обработки и установленным заданием на «11» и «13» регулирующиеся блоки (12) через линии передачи управляющего сигнала (IV) передают командную информацию в блоки воздействия на объект (V) через усилитель «14» на исполнительное устройство «16».

Информация о результатах работы СУ и текущий контроль процесса регулирования осуществляется с помощью вторичных приборов, индикаторов и сигнализаторов (3), регистраторов параметров (4) и может храниться в блоках памяти (5). Оператор (6) воздействует на СУ по каналам связи через устройство дополнительной информации (11, 13).

 

 

 

Рис.5. Схема ЦСКР и У

 

ЦСКР и У: управление основывается на использовании текущей информации об ОУ, непосредственно поступающей от блоков получения, преобразования и передачи (I, II) в устройство обработки и выработки командной информации (III), в качестве которых могут быть использованы: УВМ, ЭВМ, МП, которые управляют устройствами воздействия на объект (V) непосредственно через линии связи командных сигналов.

 

1. Основные понятия измерительной техники.

 

1.1. Определение измерения.

Возможное рабочее описание термина «измерение», согласующееся с нашей интуицией, звучит так: «измерение – это получение информации». Одним из наиболее существенных аспектов измерения является сбор информации; измерения производятся для того, чтобы что-то узнать об объекте измерения, то есть об измеряемой величине. Это означает, что результат измерения должен описывать то состояние или то явление в окружающем нас мире, которое мы измеряем. Между этим состоянием или результатом измерения должно существовать то или иное соотношение. Хотя получение информации, очевидно, оно является лишь необходимым, но не достаточным для определения измерения: когда кто-то читает учебник, он накапливает информацию, но не выполняет измерения.

Второй аспект измерения состоит в том, что оно должно быть избирательным. Оно может снабдить нас сведениями только о том, что мы хотим измерить (об измеряемой величине), но ничего не говорит ни об одном из многих других состояний или явлений вокруг нас. Это обстоятельство тоже необходимо, но не достаточно для определения измерения. Любуясь картиной в пустой комнате, где нет ничего другого, вы получаете информацию только об этой картине, но это не будет измерением.

Третьей, и также необходимой стороной дела, является тот факт, что измерение должно быть объективным. Исход измерения не должен зависеть от наблюдателя. Любой наблюдатель должен извлекать из измерения одну и ту же информацию и приходить к одним и тем же выводам. Таким образом, чтобы гарантировать объективность измерения, мы должны воспользоваться теми или иными приспособлениями. Другими словами, прибор преобразует исходное наблюдение в такой вид, в котором оно доступно любому наблюдателю и относительно которого между наблюдателями не может быть разногласия.

 

В дальнейшем будем полагать, по определению, что измерение – это получение с помощью измерительных систем (приборов) информации в форме результата измерения, отражающего характеристику, состояние или явление окружающего нас мира (объект измерения). В этом контексте измерительная система должна гарантировать требуемые наглядность описания, избирательность и объективность измерения.

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 ней в качественном отношении физической величины, принятой за единицу. Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице измерения, называется числовым значением измеряемой величины. Значение величины, принятое за единицу измерения, называется размером этой величины.

Q – измеряемая физическая величина.

êQê- некоторый размер физической величины, принятой за «1» измерения.

q- числовое значение величины Q.

Результат измерения величины Q может быть представлен так:

Q=q* êQê (1)

Уравнение (1) называют основным уравнением измерения.

Сведения о значении измеренных физических величин называются измерительной информацией.

Сигналом измерительной информации – называется сигнал, функционально связанный с измеряемой величиной.

1.2. Виды измерений обычно классифицируются по следующим признакам:

· Характеристике точности – равноточные, неравноточные (равнорассеяные, неравнорассеяные);

· Числу измерений – однократные, многократные;

· Отношению к изменению измеряемой величины – статические, динамические;

· Метрологическому назначению – метрологические, технические;

· Выражению результата измерений – абсолютные, относительные;

· По общим приемам получения результатов измерений – прямые, косвенные, совместные, совокупные.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненные одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненные несколькими различными по точности СИ и (или) в разных условиях.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз.

Многократные измерения – измерения одного и того же размера ФВ, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом наблюдений, т.е. состоящих из ряда однократных измерений.

Прямое измерение – измерение ФВ, проводимое прямым методом, при котором искомое значение ФВ получают непосредственно из опытных данных. Прямое измерение производится путем экспериментального сравнения измеряемой ФВ с мерой этой величины или путем отсчета показаний средства измерения по шкале или цифровому прибору (например, измерения длины, высоты с помощью линейки, напряжения – с помощью вольтметра, массы – с помощью весов).

Косвенное измерение – измерение, проводимое косвенным методом, при котором искомое значение ФВ находят на основании результата прямого измерения другой ФВ, функционально связанной с искомой величиной известной зависимостью между этой ФВ и величиной, получаемой прямым измерением. Например, определение площади, объема с помощью измерения длины, ширины, высоты; электрической мощности методом измерения силы тока и напряжения и т.д.

Совокупные измерения – одновременно проводимые измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяются путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин. Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения – одновременно проводимые измерения двух или нескольких неодноименных физических величин для определения зависимости между ними. Пример: определение температурного коэффициента сопротивления (ТКС) путем одновременного измерения сопротивления R и температуры t, а затем определение зависимости a(t) =DR/Dt

1.3.Средством измерения – называют техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Сигнал измерительной информации, поступающий на вход измерительного устройства, называют входным сигналом. Сигнал, получаемый на выходе, называют выходным сигналом средства измерения.

К средствам измерений относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и информационно-измерительные системы.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения заданного значения физической величины (образцовая катушка сопротивления, гиря). Меры подразделяют на рабочие и образцовые.

Измерительные преобразователи – это устройства, предназначенные для преобразования одной формы информации об измеряемой величине в другую форму. Это преобразование должно выполнятся с заданной точностью, и обеспечить требуемую функциональную зависимость между выходной и входной величинами преобразователя.

В зависимости от характера преобразуемых величин различают следующие виды измерительных преобразователей:

· Преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы)

· Преобразователи магнитных величин в электрические (измерительные катушки, феррозонды, преобразователи, основанные на эффектах Холла, Гаусса, сверхпроводимости и т. д.)

· Преобразователи неэлектрических величин в электрические (термо - и тензопреобразователи, реостатные, индуктивные, емкостные).

В зависимости от функций, выполняемых преобразователями в измерительной цепи, их подразделяют на первичные, промежуточные, передающие и масштабные.

Измерительный преобразователь, находящийся в цепи измерений на первом месте, называется первичным измерительным преобразователем.

К первичным преобразователям относят и отборные устройства.

Отборным устройством (отбором) – называют устройство, устанавливаемое на трубопроводах и технологических агрегатах и служащее для непрерывного отбора контролируемой среды и передачи ее параметров к измерительному преобразователю или измерительному прибору.

Измерительные приборы – это устройства, представляющие собой совокупность измерительных преобразователей, выполняющих определённые функции, и отсчётного устройства, предназначены для выработки сигнала измерительной информации, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. В практике, для измерительных приборов, установленных на щитах контроля и управления, применяется термин «вторичный прибор».

По физическим явлениям, положенным в основу работы, измерительные приборы можно разделить на электроизмерительные (электромеханические, электротепловые, электрохимические) и электронные приборы.

По назначению их подразделяют на приборы для измерения электрических и неэлектрических (магнитных, тепловых, химических и др.) физических величин.

По способу представления результатов – на показывающие и регистрирующие.

По методу преобразования измеряемой величины – на приборы непосредственной оценки (прямого преобразования) и сравнения.

По способу применения и по конструкции – на щитовые, переносные, стационарные.

В зависимости от регистрации измеряемой величины различают аналоговые и цифровые измерительные приборы.

Аналоговым называют измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией измеряемой величины, например стрелочный вольтметр, ртутно-стеклянный термометр.

В цифровом приборе осуществляется преобразование аналогового сигнала измерительной информации в цифровой код, и результат отражается на цифровом табло.

По защищенности от воздействия внешних условий измерительные приборы подразделяют на обыкновенные, влаго -, газо- и пылезащищенные, герметичные, взрывобезопасные и др.

Измерительные установки – это комплекс средств измерений, включающий в себя меры, измерительные приборы и преобразователи, вспомогательные устройства, объединённые одной схемой, с помощью которой можно измерить одну или несколько физических величин.

 

Все средства измерений имеют общие свойства, позволяющие сопоставлять их между собой: метрологические, эксплуатационные, информационные и др. Отдельные виды и типы средств измерений обладают своими специфическими свойствами. Наиболее важными являются метрологические характеристики средств измерений.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Он ограничивается наибольшим и наименьшим значениями. С целью повышения точности измерений диапазон измерений может быть разбит на несколько поддиапазонов. При переходе с одного поддиапазона на другой, некоторые составляющие основной погрешности уменьшаются, что приводит к повышению точности измерений. При нормировании допускают для каждого поддиапазона свои предельные погрешности.

Область значений шкалы, ограниченную начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний.

Для средств измерений, выдающих результаты измерений в цифровом коде, указывают цену единицы младшего разряда (единицы младшего разряда цифрового отсчётного устройства), вид выходного кода (двоичный, двоично-десятичный) и число разрядов кода.

Для оценки влияния средства измерения на режим работы объекта исследования указывают входное полное сопротивление Z_вх. Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта исследования средством измерения.

Допустимая нагрузка на средство измерения зависит от его выходного полного сопротивленияZ_вых. Чем меньше выходное сопротивление, тем больше допустимая нагрузка на средство измерений.

Вариация выходного сигнала – разность между значениями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при медленном подходе слева и справа к выбранному значению входной величины.

Вариация показаний прибора – наибольшая вариация выходного сигнала прибора при неизменных внешних условиях. Она является следствием трения и люфтов в узлах приборов, механического и магнитного гистерезиса элементов и др.

Кроме метрологических характеристик при эксплуатации средств измерений важно знать и неметрологические характеристики – показатели надежности, электрическую прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к климатическим и механическим воздействиям, время установленного рабочего режима и др.

Под надежностью средства измерения понимают его способность сохранять нормированные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Основными критериями надежности приборов являются вероятность безотказной работы и средняя продолжительность безотказной работы. Вероятностьбезотказной работы определяется вероятностью отсутствия отказов прибора в течение определенного промежутка времени, средняя продолжительность безотказной работы – отношением продолжительности безотказной работы к числу отказов за это время.

 

Погрешность – это отклонение результата измерения от истинного значения измеренной величины.

Погрешности измерения, в зависимости от их происхождения, делятся на три группы: систематические погрешности, случайные погрешности, субъективные погрешности.

Системные погрешности имеют постоянный характер и по причинам возникновения делятся:

Ø Инструментальные

Ø Погрешности от неправильной установки средств измерения

Ø Возникающие от внешних влияний

Ø Методические (теоретические)

Инструментальные погрешности могут вызываться конструктивными особенностями, а также износом и старением средств измерения.

Конструктивные погрешности вызываются несовершенством конструкции или неправильной технологией изготовления средства измерения (плохая балансировка измерительного механизма, неточность при нанесении отметок шкалы и т.д.).

Погрешности от неправильной установки вызываются наклоном прибора, и т.д.

Погрешности внешних влияний вызываются вибрацией, электромагнитными полями, конвекцией нагретого воздуха и т.д.

Методические погрешности возникают в результате несовершенства метода измерения и теоретических допущений (использование приближенной зависимости, вместо точной и др.)

Исключение погрешности достигается путем введения соответствующей поправки в показания прибора, численно равной системной погрешности, но противоположной по знаку.

Случайные погрешности вызываются независимыми друг то друга случайными факторами и изменяются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Проявляются случайные погрешности в том, что при измерении одной и той же неизменной величины одним и тем же средством измерения, получают различные показания.

Абсолютная погрешность – это разность между измеренным и истинным значением измеряемой величины.

Δx=x_изм - х_ист,

 

Где Δx – погрешность измерения.

  Δx=xизм- хд Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к истинному (действительному) значению, выраженное в…

Нормирующее значение хN – это условно принятое значение, которое может быть равным верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др.

2. Средства измерения и контроля.   2.1. Классификация средств измерения и контроля по определенным признакам.

Рис.1.3.

Универсальные измерительные инструменты и приборы нашли широкое применение в условиях единичного и мелкосерийного производства, а также для определения численных величин и отклонений от правильной геометрической формы и взаимного расположения поверхностей, при наладке станков, при особо ответственных измерениях во всех видах производств, включая массовое и крупносерийное (рис.1.5.).

В условиях расширяющейся автоматизации технологических процессов, повышения требований к производительности, точности и качеству все большее значение приобретают автоматические средства контроля. Они классифицируются по числу проверяемых параметров, степени автоматизации, способу преобразования измерительного импульса, воздействию на технологический процесс (рис.1.6.).

 

 

Рис.1.5. Классификация универсальных инструментов и приборов

 

 

 

ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.

В науке, технике и производстве все чаще возникают задачи точного измерения различных неэлектрических величин. Внедрение механизации и комплексной автоматизации в производство требует быстрого и точного контроля технологических процессов, т.е. измерения самых разнообразных физических величин. Особенно большое число различных неэлектрических величин требуется контролировать в металлургической, химической и текстильной промышленностях. Развитие измерительной техники показало, что среди разнообразных методов измерения неэлектрических величин наибольшими преимуществами обладают электрические методы. Их отличительными достоинствами являются:

Ø Возможность измерения сигналов малой величины – применение электронных усилителей дает возможность измерять такие сигналы, которые не могут быть измерены никакими другими способами;

Ø Возможность передачи измеренной величины на расстояние, а, следовательно, и дистанционного управления различными процессами;

Ø Достаточно высокая точность и малая инерционность электроизмерительной аппаратуры;

Ø Быстрота измерений;

Ø Возможность комплектования измерительных и управляемых ими автоматических установок из блоков однотипной электрической аппаратуры.

Для того чтобы неэлектрическую величину можно было измерить электрическим прибором, необходимо эту величину преобразовать в пропорциональный ей ток или напряжение. С этой целью используют специальные устройства, называемые измерительными преобразователями. Схемы для измерения неэлектрических величин могут быть довольно сложными, так как кроме измерительных преобразователей в схему могут входить усилители, выпрямители, источники питания, двигатели, неэлектрические преобразователи (например, пружины, оптические системы) и т.д.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Работа металлургических агрегатов характеризуется температурой жидкого металла, шлака, дымовых газов, воздуха, огнеупорной кладки нагревательных… Тепловое состояние тела (степень его нагретости) определяется кинетической… Под температурной шкалой понимается непрерывная совокупность чисел, линейно связанных с числовыми значениями…

Технические средства измерения температуры.

  1.Манометрический термометр состоит из термобаллона, капиллярной трубки и манометрического устройства пружины. Вся…

Биметаллический термометр. (ТБ).Его принцип действия основан на различной степени изменения линейных размеров разнородных металлов при изменении температуры окружающей среды.

 

1 – инвар

2 - латунь

 

Электрические термометры сопротивления. В металлургии при изменении температуры до 600°С применяют термометры сопротивления (ТС). Их принцип действия основан на использовании зависимости электрического сопротивления материала от температуры. В качестве материала для изготовления ТС, используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники. Изменение электрического сопротивления данного материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления:a, [1/ °С].

a=(R_t – R₀)/R₀t,

t – температура материала в °С

R₀, R_t – электрические сопротивления при 0°С и при температуре t [Ом].

 

	Rt

 

Чистые металлы имеют линейную зависимость электрического сопротивления от температуры и положительный коэффициент.

 

 

 

Полупроводниковые ТС имеют отрицательный коэффициент. С увеличением температуры сопротивление уменьшается.

 

 

 

В диапазоне от –50 до 180°С применяются медные термометры сопротивления ТСМ.

R_t = R₀ (1 +at)

В полупроводниковых термометрах сопротивления (ТСПП, терморезистор, термистор) в качестве чувствительного элемента используется германий, окиси меди, марганца, титана, магния.

Термисторы применяют в диапазоне от –90 до 180°С. сопротивление термисторов изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону:

R_t=Ae^-B/t, где А и В – постоянные, зависящие от свойств полупроводника.

 

 

 

Термоэлектрические термометры.

Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явлений – появлении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Сущность этого явления заключается в следующем. Если составить электрическую цепь из двух разнородных металлических проводников (или полупроводников), причем с одного конца проводники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее – разности температур места спая и свободных, неспаянных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная из двух разнородных материалов, называется термопарой; проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами; места соединения термоэлектродов – спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, относительно которого измеряется температура, называется холодным или свободным.

Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные электроны хаотически движутся между положительными ионами, образующими остов кристаллической решетки. В разных металлах свободные электроны обладают при одной и той же температуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (электродов) свободные электроны из одного электрода проникают в другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свободных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией свободных электронов приобретает отрицательный потенциал. Возникает контактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаем (Т₁=Т₂ на рис.1,а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи. Контактная разность в спае 1 направлена навстречу контактной разности в спае 2.

 

Рис.1.а

Но если нагреть один из спаев (рабочий) до температуры Т₁>Т₂, то контактная разность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изменения. В результате и возникает термоЭДС, тем большая, чем больше разность температур спаев 1 и 2 (Т₁-Т₂).

Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (например, милливольтметр). Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай (рис.1,б), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 1, в).

 

 

 

Как видно из схем включения измерительного прибора, в случае разомкнутого свободного спая (рис.1,б) у термопары три спая: один горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рис.1, в) имеется четыре спая: один горячий 1, один холодный 2 (он должен иметь постоянную температуру), два нейтральных 3 и 4 (они должны находится при одинаковой, но не обязательно постоянной температуре). Для обеих схем термоЭДС и показания прибора будут одинаковыми, если соответственно одинаковыми будут температуры горячих и холодных спаев. В этом нетрудно убедится, если составить уравнение по второму закону Кирхгофа для каждого из контуров.

ТермоЭДС, вырабатываемая термопарой, составленной из электродов А и В, является разностью двух термоЭДС: е_АВ (Т₁) – термоЭДС горячего спая при температуре Т₁; е_АВ (Т₂) – термоЭДС холодного спая при температуре Т_2, т.е.

Е_АВ= е_АВ(Т₁) - е_АВ (Т₂) (1)

В табл.1. приведены термоЭДС для разных материалов в паре с платиной при температуре горячего спая 100 °С (373 К) и температуре холодного спая 0 °С (273 К). Знак + перед термоЭДС означает, что в холодном спае ток идет по направлению к платиновому электроду.

 

 

материал	ТермоЭДС, мВ	Материал	ТермоЭДС, мВ
Платина		Платинородий	+0,64
Кремний	+44,8	Вольфрам	+0,8
Хромель	+2,95	Молибден	+1,3
Железо	+1,8	Алюмель	-1,15
Медь	+0,76	копель	-4,0

 

Материалы, применяемые для термопар.

Материалы для термопар следует подбирать таким образом, чтобы термоЭДС имели достаточно большие значения, обеспечивающие высокую чувствительность измерения.

Кроме этого, наиболее важным требованием является обеспечение взаимозаменяемости. Это означает, что термопары одного и того же типа должны иметь при одинаковых температурах одну и ту же термоЭДС. В этом случае замена термопары не должна привести к перенастройке или переградуировке измерительного прибора. Поскольку термопары часто используются в очень тяжелых условиях (высокие температуры, агрессивная среда и т.д.), порой их необходимо менять уже через 1-2 тыс.ч. А измерительные приборы способны работать годами, их менять при замене термопары нецелесообразно. К тому же в промышленности получили большое распространение так называемые обегающие системы автоматического контроля, когда на один и тот же измерительный прибор последовательно подаются сигналы от нескольких десятков термопар, контролирующих температуру в разных местах. Поэтому необходима стабильность и повторяемость свойств термопар. В таблице 2 приведены основные типы термопар, выпускаемых серийно, и их характеристики.

 

Таблица 2. Зависимость термоЭДС от температуры для стандартных термопар (при температуре свободных концов 0°С)

Температура, °С	ТермоЭДС, мВ.
Термопара платинородий-платина (ПП)	Термопара хромель-алюмель (ХА)	Термопара хромель-копель (ХК)
-50	-	-	-3,11
-20	-0,109	-0,77	-1,27
	0,301	2,02	3,35
	0,640	4,10	6,95
	1,421	8,13	14,66
	2,311	12,21	22,91
	3,244	16,40	31,49
	5,214	24,91	49,02
	7,323	33,32	-
	9,569	41,32	-
	10,745	45,16	-
	13,152	-	-
	15,563	-	-

 

В зависимости от материала электродов термопары, получившие практическое применение, разделяются на две основные группы: из благородных и неблагородных металлов.

Наибольшее распространение из первой группы получила термопара типа ТПП. Один электрод ее изготовлен из платинородия (90% платины и 10% родия), другой – из чистой платины. Эта термопара может использоваться как образцовая. Достоинствами ее являются химическая стойкость к окислительной среде, взаимозаменяемость термоэлектродов, повторяемость характеристик. Недостаток – малое значение темоЭДС. Термопара типа ТПП может длительно работать при температуре 1300°С.

Для более высоких температур (длительно – до 1600, кратковременно – до 1800 °С) применяется термопара ТПР. Один электрод – платинородий (70% платины и 30% родия), другой электрод также платинородий (94% платины и 6% родия).

Существенно большие значения термоЭДС имеют термопары из неблагородных металлов, материалом для которых служат специально разработанные сплавы: хромель (89% никеля, 9.8% хрома, 1% железа, 0.2% марганца), алюмель (94% никеля, 2.5% марганца, 2% алюминия, 1% кремния, 0.5% железа), копель (55% меди, 45% никеля).

Наибольшее распространение получили термопары типа ТХА (хромель-алюмель) и типа ТХК (хромель-копель). Зависимость термоЭДС этих термопар от температуры показана на рис.2.

 

Рис. 2. Зависимость термоЭДС от температуры.

 

Кроме перечисленных материалов для термопар используются и другие, менее распространенные, но имеющие свои достоинства. Для измерения высоких температур применяют термопару из тугоплавких металлов вольфрама и молибдена. Достоинством термопар медь-копель и железо - копель является низкая стоимость.

Конструктивно термопары выполняются в специальной арматуре, обеспечивающей защиту электродов от действия горячих химически агрессивных газов и паров, электрическую изоляцию выводов. Для защиты термопар из неблагородных металлов применяют стальные трубки диаметром 21 мм и с максимальной глубиной погружения до 2 м.

Для защиты термопар из благородных металлов применяются кварцевые и фарфоровые трубки диаметром 8 и 20 мм. Для изоляции используют асбест (до 300 °С), кварц (до 1000°С), фарфор (до 1400 °С).

Полупроводниковые термопары для целей измерения не применяются из-за нелинейности характеристики, малой механической прочности и сравнительно малого (до 500°С) температурного диапазона.

 

Типы термопар	обозначение	Материал термоэлектрода	Предельная температура измерения , °С
	положительный	отрицательный	При длительном измерении	При кратковре- менном измерении
	от	до
ТМК	МК (М)	Медь	Копель	-200
ТХК	ХК(L)	Хромель	Копель	-200
ТХА	ХА (К)	Хромель	Алюмель	-200
ТПП	ПП(S)	Платинородий (90%Pt+10%Rh)	платина
ТПР	ПР (В)	Платинородий (70%Pt+30%Rh)	Платинородий (94%Pt+6%Rh)
ТВР	ВР (А)	Вольфрамрений (95% W+5%Re)	Вольфрамрений (80%W + 20 Re)

Измерение температуры с помощью термопар.

При измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод.

Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невелико, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувствительные милливольтметры магнитоэлектрического типа. Прибора этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвижной рамке. Для создания достаточного вращающего момента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа витков медного провода. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рамку. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.

Обозначим через R_в сопротивление милливольтметра, R_т – сопротивление термопары, R_п – сопротивление соединительных проводов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС Е_тп,

I_в= Е_тп/( R_в+ R_т+ R_п). (1.1)

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС Е_тп, но и от сопротивлений R_в, R_т, R_п. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивления R_в и R_т уже учтены при градуировке. А сопротивления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,5; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания прибора, шкала которого проградуирована в милливольтах. Напряжение на его зажимах U_в=I_вR_в.

С учетом (1.1)

U_в=E_тпR_в/(R_в+ R_т+R_п) (1.2)

Обозначим внешнее сопротивление цепи R_вн=R_n+R_п и выразим из (1.2.) термоЭДС

E_тп=U_в(R_в+ R_вн)/ R_в= U _в+ U _в(R_вн/ R_в) (1.3)

Из (1.3) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на U _в(R_вн/ R_в). Эта величина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольтметра R_в по сравнению с внешним сопротивлением R_вн. Обычно милливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавочное сопротивление из манганина, сто в сумме дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая Т₂=0. на практике при измерении температуры Т₁ холодный спай имеет Т₂¹0. Следовательно, по измеренной термоЭДС нельзя точно определить Т₂. необходимо вводить так называемую поправку на температуру холодных спаев. Существует несколько способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с тающим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глубину нескольких метров, где температура довольно стабильна, или помещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изоляцией.

Если температура холодных спаев известна, то к показаниям измерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при Т₂. Эту поправку следует брать из градуировочной кривой.

Поправку на температуру холодных спаев можно ввести и механическим путем: при отключенной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соответствующую температуре холодных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической коррекции температурных погрешностей, в которых используются свойства терморезисторов изменять сопротивление в зависимости от температуры.

Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис 10.3). Измерительный прибор может находиться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В местах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС. Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный подбор материалов проводов и термопар. Для присоединения термопар служат специальные, так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу придают определенную расцветку, для чего используют оплетку из цветной пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

Для термопар типа ТПП применяются компенсационные провода с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белыми нитями внутри. Материал провода – медь в паре с медно-никелевым сплавом. Для термопар типа ТХА применяются провода с обозначением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитями из меди в паре с констаном. Для термопар ТХК применяют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель-копель, т.е. компенсационными проводами могут быть и основные термоэлектроды.

 

 

Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис.10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС Е_д, и мостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжение U_к, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений подается на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) через редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (потенциометрического датчика) R_п до тех пор, пока напряжение U_к не сравняется с Е_д. Одновременно перемещается указатель на шкале прибора и перо самописца. При U_к=Е_д напряжение на входе усилителя равно нулю (U_к-Е_д=0) и электродвигатель (ЭД) остановится. Каждому значению выходного сигнала датчика Е_д=f(Т°С) соответствует определенное положение указателя на шкале. Шкала проградуирована в °С и на ней указан тип термопары, для которой выполнена градуировка.

Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения U_к и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи моста состоят из проволочных резисторов R₁ –R₄, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), и терморезистора R_к, изготовленного из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления (например, из меди или никеля). Резистор располагается вблизи холодных спаев термопары. Мост питается от источника постоянного тока Е – обычно это батарейка (например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется Е_д и одновременно меняется сопротивление R_к, что приводит к изменению компенсирующего напряжения U_к на туже величину, на какую изменилось Е_д. Следовательно, колебания окружающей температуры не изменяют показаний на шкале прибора. Регулировочное сопротивление R_р служит для установки тока питания моста при разряде батареи (уменьшении Е).

Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабочего тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис.10.4, рабочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на разность ЭДС батарейки и специального, стабильного нормального элемента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемещает движок регулировочного резистора R_р, автоматически устанавливая требуемое значение тока питания моста.

Ответственной деталью в измерительной схеме является реохорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.

Бесконтактное измерение температуры.

О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называются пирометрами. Они позволяют измерять температуру в диапазоне от 100 до 6000°С и выше.

Физические тела характеризуются либо непрерывным спектром излучения (твердые и жидкие вещества), либо избирательным (газы). Участок спектра в интервале длин волн 0,02…0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому излучению, участок 0,4…0,76 мкм – видимому излучению, участок 0,76…400 мкм – инфракрасному излучению. Интегральное излучение – это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн.

Монохроматическим называют излучение, испускаемое при определенной длине волны.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

- суммарного (полного) излучения, в которых измеряется полная энергия излучения;

- частичного излучения (квазимонохроматические), в которых измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;

- спектрального распределения, в которых измеряется интенсивность излучения фиксированных участков спектра.

В пирометрах полного излучения оценивается не менее 90% суммарного потока излучения источника. При измерении температуры реального тела пирометры этого типа показывают не действительную температуру, а так называемую радиационную температуру тела. Поэтому эти пирометры называют радиационными. При известном суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с радиационной температуры тела на его действительную температуру. Исходя из этого, пирометры полного излучения удобно использовать при измерении разностей температур в неизменных условиях наблюдения в диапазоне от 100…3500°С. Основная допустимая погрешность в технических пирометрах возрастает с увеличением верхнего предела измерения температуры. Так, для 1000°С - ±12%, для 2000°С - ±20%.

В радиационном пирометре (рис 2.84) лучи нагретого тела поступают на линзу 1, которая направляет их через диафрагму 2 на приемник излучения 3. приемник излучения состоит из большого числа термопар (термобатарея), горячие спаи которых выполнены в виде секторных тонких пластинок. Сигнал с термопар, соединенных последовательно, подается на отсчетное устройство ОУ. Через окуляр 4 с фильтром 5 производится наведение пирометра на объект измерения. Приемники полного излучения подразделяются на электрические (термобатареи, болометры, тепловые индикаторы, пироэлектрические кристаллы), пневматические (детектор Голея) и оптические (жидкие кристаллы). Наибольшая чувствительность (10⁵ В Вт ^-1 ) у пневматических приемников. У электрических она составляет от 10 ^–4 до10 ^–3В* Вт^-1.

Приемники полного излучения отличаются тем, что их спектральная чувствительность постоянна в широком диапазоне длин волн от дальней инфракрасной области до ближней ультрафиолетовой. Для увеличения поглощательной способности чувствительные поверхности приемников окрашивают в черный цвет. Для уменьшения теплоотвода в среду приемник помещают в вакуумированные или газонепроницаемые корпуса.

Термобатареи выполняются на основе термопар, соединенных последовательно (до 20 термопар). Их горячие спаи располагаются на узком участке поверхности, на который фиксируется излучение.

Болометры – это термометры сопротивления, изготовленные либо из фольги проводящих металлов, либо из полупроводников (термисторов).

Тепловые быстродействующие индикаторы выполняются в виде тонкослойной термопары или болометра, в которых активный слой имеет хороший тепловой контакт с основанием. Они применяются для идентификации мощных сигналов, например лазерного излучения.

Пироэлектрические приемники – это кристаллы с определенным видом симметрии, в которых в зависимости от изменения температуры проявляется эффект спонтанной поляризации.

 

 

 

Пирометры полного излучения подразделяются на пирометры с преломляющей оптической системой (рис. 2.85, а) и пирометры с отражающей оптической системой (рис. 2.85,б).

В первом случае излучение от объекта измерения 1 через линзовый объектив 2 и диафрагму 3 поступает на приемник полного излучения 4. для наводки на объект измерения служит окуляр 6 с дымчатым фильтром 5 и диафрагмой 7. Отсчетным устройством является милливольтметр 9.

В пирометрах с отражающей оптической системой (рис.2.85 б) излучение от объекта измерения 1 попадает на приемник излучения 3 после прохождения через защитную полиэтиленовую пленку 2, диафрагму 4 и зеркальный объектив 5. Для наводки на объект излучения служит зрительная труба 6. Отсчет показаний производится по шкале милливольтметра 8. Полиэтиленовая пленка прозрачно для инфракрасного излучения и служит для защиты оптической системы пирометра от загрязнения потоков воздуха.

 

Пирометры частичного излучения работают в узком диапазоне волн, они называются квазимонохроматическими пирометрами. К данному типу относятся оптические и фотоэлектрические пирометры. Разновидностями оптических пирометров являются пирометр «с исчезающей нитью», пирометр «с оптическим круговым клином», фотоэлектрические монохроматические пирометры.

 

 

На рис.2.86, а изображена схема оптического пирометра «с исчезающей нитью», принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и яркости градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Изображение излучателя 1 с линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания 5. Оператор через диафрагму 6, линзу окуляра 8, красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркостей нити и излучателя. Момент «исчезания» нити на фоне объекта соответствует равенству яркостей нити и объекта излучения. Регистрирующий прибор 9 фиксирует силу тока, соответствующую этому моменту, и позволяет произвести считывание результата измерения температуры объекта излучения. Красный светофильтр 7 пропускает область излучения с шириной около 0,1 мкм и с эффективной длиной волны 0,65 мкм.

Данный тип пирометров позволяет измерять температуры в интервале 700…8000°С. Основная допустимая погрешность измерения для интервала температур 1200…2000°С составляет ±20°С.

Пирометр с оптическим круговым клином является модификацией описанного выше. В нем яркостную температуру нити лампы накаливания поддерживают постоянной, а уравнивание яркостей осуществляется перемещением оптического клина, пропускающего больше или меньше света от объекта. По положению клина судят о яркостной температуре объекта излучения.

Фотоэлектрические пирометры основаны на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных пирометрах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

На рис. 2.86, б приведена схема фотоэлектрического монохроматического пирометра, в котором в качестве приемника применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 1 с линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром 5, определяется яркостью излучателя, т.е. его температурой. В держателе светофильтра 5 расположено еще одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает поток от лампы 17 обратной связи. Световые потоки от излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод попеременно через отверстия 7 и 8 с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9.

При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 – последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу 17, что вызывает изменение тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы 17 включено калибровочное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой.

В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения 500…1100°С применяется кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800…4000°С – вакуумный сурьмяно-цезиевый. Пределы допускаемой погрешности до 2000°С не превышают ±1%.

Фотоэлектрические пирометры характеризуются малой инерционностью (до 10^-3с), поэтому их используют для регистрации быстропротекающих температурных процессов, а также для измерений температуры малых объектов.

 

Пирометры спектрального распределения измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра. Основное преимущество таких пирометров заключается в независимости их показаний от излучательной способности объекта, а также от наличия дыма, пыли и испарений в пространстве между объектом и пирометром.

В пирометрах сравнения (рис. 2.87,а) отношение спектральных интенсивностей оценивается субъективно по цветовому ощущению, создаваемому смесью двух монохроматических пучков. Излучение от объекта измерения 1 чрез объектив 2, нейтральный оптический клин 3 и двойной светофильтр 4 направляется к фотометрическому кубику 5. Двойной светофильтр 4 выполнен в виде двух клиньев (красного и зеленого), относительным перемещением которых можно изменять соотношение между интенсивностями красного и зеленого цветов. На фотометрический кубик поступает также излучение от лампы 9 через матовое стекло 10, красный и зеленый светофильтр 11 и объектив 12. Через окуляр 6 глаз оператора 8 видит два участка, соответствующих излучению от объекта измерения 1 и лампы 9, окрашенных смесью зеленого и красного цветов с различным соотношением их интенсивности. Взаимным смещением оптических клиньев двойного светофильтра 4 уравнивают соотношение излучения объекта измерения 1 и излучения лампы 9. Для уравновешивания соотношения цветов необходимо равенство яркостей излучения объекта и лампы. Этого добиваются изменением положения нейтрального оптического клина 3. После уравновешивания положения нейтрального клина определяют яркостную температуру, а положение одного из клиньев двойного светофильтра определяет цветовую температуру объекта.

Оператор, работающий с пирометром сравнения, должен обладать хорошим цветоощущением.

В пирометрах спектрального отношения (рис.2.87,б) вводится модуляция светового потока. Световой поток от объекта измерения 1 прерывается обтюратором 4 с двумя светофильтрами, пропускающими излучение на двух длинах волн l₁ и l₂ к фотоэлементу 5. Переменная составляющая выходного сигнала фотоэлемента усиливается в усилителе 6 и подается на реверсивный двигатель 7, который перемещает уравновешивающий фильтр 3 до тех пор, пока не уравняются интенсивности излучения на обеих длинах волн. В положении равновесия перемещение фильтра 3 является мерой измеряемой температуры.

Измерение давления, количества и расхода

Газов и жидкостей.

При определении давления принято различать давление абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое. Абсолютное давление (ра) – это давление внутри какой-либо системы, под которым… Атмосферное давление (рв) создается массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменную величину,…

Методы и средства измерения и контроля давления.

Методы измерения давления основаны на сравнении сил измеряемого давления с силами: - давления столба жидкости (ртути, воды) соответствующей высоты; - развиваемыми при деформации упругих элементов (пружин, мембран, манометрических и анероидных коробок, сильфонов и…

Электрические манометры и вакуумметры.

Пьезоэлектрические манометры применяют при измерении пульсирующего с высокой частотой давления в механизмах с допустимой нагрузкой на чувствительный… Конструкция преобразователя пьезоэлектрического манометра показана на… Величина электрического заряда будет прямо пропорциональна давлению:

Методы и средства измерения и контроля расхода и количества

Газов и жидкостей.

Существует следующая классификация методов измерения по тем физическим законам, которые лежат в основе принципа действия этих устройств. - объемный метод - метод переменного и постоянного перепада давления (дросселирующие устройства и расходомеры обтекания)

Средства измерения и сигнализации уровня жидкости.

Существуют следующие методы измерения уровня жидкости: · поплавковый · манометрический

Анализаторы газов и жидкостей.

Анализатор – устройство для получения информации о составе или физико-химических свойствах анализируемого вещества. В зависимости от агрегатного… Анализируемое вещество – смесь нескольких химических веществ (компонентов),… Определяемый компонент – компонент анализируемого вещества, концентрация которого определяется анализатором

Анализаторы жидкостей.

Кондуктометрыоснованы на измерении электрической проводимости (электропроводности) растворов электролитов (анализируемых жидкостей). Они применяются… По типу чувствительного элемента (измерительной ячейки) методы измерения… R=1/(ơk)=U/I

Автоматические регуляторы.

Автоматический регулятор (АР) – устройство, совокупность устройств, посредством которого осуществляется процесс автоматического регулирования. Функция АР: формирование сигнала рассогласования между регулируемой величиной… Закон регулирования – математическое выражение функциональной зависимости выходной величины от входной величины.

Релейные регуляторы.

Двухпозиционные регуляторы – Рп2 – это такие приборы, выходная величина которых может принимать только два значения. Зависимость «y» от «x» --…  

Трехпозиционные регуляторы

                …  

Регуляторы с переменной структурой.

  В общем виде регулятор с переменной структурой можно представить в виде трех… Назначение измерительного устройства ИУ состоит в преобразовании сигнала Х0, пропорционального заданному значению…

Импульсные регуляторы.

Импульсный элемент может быть включён:  

Экстремальный регулятор включает в себя: запоминающее устройство – ЗУ, которое реагирует только на увеличение величины «х». Устройство реверса – УР, которое представляет собой сигнум-реле, т.е. реле знакоизменения сигнала на выходе объекта управления. Исполнительный механизм – ИМ, элемент сравнения – ЭС, в котором происходит сравнение текущего значения «х» с «хзапом».

Выходная величина ОУ «х» подаётся на ЗУ и запоминается им, если происходит увеличение «х» при воздействии на объект управляющего воздействия «y». Сигнал «х_запом» непрерывно подаётся на ЭС, где сравнивается с текущим значением «х». Сигнал разности «х-х_запом» с выхода ЭС поступает на УР. Если значение разности «х-х_запом» попадает на границу зоны нечувствительности, сигнум-реле срабатывает, производит реверс механизма, который выдаёт управляющее значение «y», при этом с выхода УР сигнал ОС поступает на ЗУ и «х_запом» сбрасывается и происходит запоминание нового значения «х».

Шаговый ЭР: добавили два импульсных элемента – ИЭ. ЗУ играет роль запаздывания. Шаговый регулятор изменяет управляющее значение «y» ступенчато. Первоначально производится принудительное изменение «y»на величину шага «Δy». Значение «х» сравнивается со значением в начале и конце шага. В зависимости от знака разности определяется новое направление изменения регулирующего воздействия «y». Выходная величина «х» подаётся на ИЭ1, здесь происходит квантование величины по уровню. Выходной сигнал с ИЭ представляет собой последовательность импульсов, высота которых пропорциональна текущему значению «х» в дискретные моменты времени.

- период повторения подачи импульса.

Обозначим значение «х» в момент времени через : . Тогда на ЭС будут поступать значения: «х_n-1» и «х_n». С выхода ЭС получим сигнал разности:

«».

На сигнум-реле поступает сигнал «». Если «<0», то сигнум-реле не меняет направление движения ИМ, при «>0» - производит его реверс. ИЭ2 осуществляет периодическое включение исполнительного механизма. Изменение входного сигнала «y» целесообразно производить быстро, чтобы время перемещения ИМ за один шаг было мало, т.е. управляющее воздействие на объект будет скачкообразное, движение к рабочей точке экстремума будет производиться ступенчато.

 

Адаптивные регуляторы.

 

Многие технологические процессы и агрегаты относятся к классу нестационарных, т.е. их динамические характеристики изменяются во времени. Автоматические системы регулирования, в которых применяются регуляторы с фиксированными параметрами, не обеспечивают высокого качества и устойчивого управления. Поэтому, для управления такими объектами обращаются к принципу адаптивного управления, создавая самонастраивающиеся системы с применением адаптивных регуляторов, которые выполняют на базе элементов цифровой вычислительной техники. Принцип работы самонастраивающихся систем – СНС: для системы задаётся некоторый функционал качества «Qз», который в общем случае зависит от параметров СУ и внешних воздействий. В процессе работы «Qф» изменяется при изменении входных воздействий и динамических характеристик объекта управления.

Самонастройка сводится к решению двух задач:

1) Стабилизация динамических или статических характеристик СУ, т.е.:

Q = Q_зад или Q £ Q_зад

Q – текущее значение функционала качества.

2) Оптимизация динамических или статических характеристик СУ, т.е.:

Q = Q_min

Отыскание оптимума «Q» осуществляется путём поиска, при этом вектору управления или вектору перенастраиваемого параметра регулятора задаётся приращение и оценивается отклонения меры качества, в зависимости от которого осуществляется соответственное изменение этих векторов.

СНС , работающие по этому принципу – поисковые.

На практике чаще применяется безпоисковые СНС, в которых обеспечение условий «Q = Q_з» или Q = Q_min осуществляется на основе принципа управления по отклонению или по возмущению с использованием эталонной модели основного контура управления, которая включает: ОУ и регулятор с настраивающимися параметрами.

 

I: Безпоисковая СНС с управлением по отклонению.

 

 

 

II: с управлением по возмущению.

  I. Кроме основного контура схема содержит эталонную модель системы – ЭМС и вычислительное устройство – ВУ. ВУ на…

Комплексы электрических средств регулирования.

I. Элементная база электрических регуляторов. Электрические регуляторы строятся на элементах интегральной технологии… К операционным усилителям относятся: интегральные усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления,…

III. Дифференцирование.

 

Гидравлические регулирующие средства.

Для построения гидравлических регулирующих устройств применяются струйные и золотниковые преобразователи. I. Струйный преобразователь.  

Исполнительные устройства.

 

Исполнительное устройство – силовое устройство, которое изменяет величину регулируемого параметра в соответствии с ком___ сигналом, подающимся от регулирующего устройства.

Исполнительное устройство состоит из блоков:

1) исполнительного механизма

2) регулирующего органа

Исполнительный механизм и регулирующий орган связаны гибкой связью, т.е. с помощью тяг, рычагов, тросов и других соединений или могут иметь монолитную конструкцию (жесткая связь), т.е. исполнительный механизм и регулирующий орган собраны в одном корпусе.

 

 

Схема исполнительного устройства:

Исполнительное устройство должно иметь вспомогательные средства управления. На входе исполнительного устройства ставят блоки усиления (БУ), которые усиливают командный сигнал для передачи от регулирующего устройства к исполнительному. Исполнительные устройства снабжаются блоками дистанционного (БДУ) и ручного (БРУ) управления. Блок сигнализации конечных положений (БСКП) вала исполнительного механизма. Фиксаторы конечных положений регулирующего органа (ФП). Исполнительные устройства снабжаются блоками обратной связи (БОС).

Исполнительный механизм – блок исполнительного устройства, который преобразует входной командный сигнал от регулирующего устройства в управляющий сигнал и, через соответствующую связь, передает этот сигнал регулирующему органу или непосредственно на объект управления.

Регулирующий орган – блок исполнительного устройства, с помощью которого производится непосредственное воздействие на объект управления или регулируемый параметр.

Одной из основных характеристик исполнительного устройства является величина перестановочного усилия, передаваемого выходным органом исполнительного механизма на регулирующий орган. Эта величина обычно указывается в паспорте, является основной при энергетическом расчете и выборе исполнительного механизма.

 

Классификация исполнительных устройств.

По виду энергии, создающей перестановочное усилие:

1) Гидравлические.

2) Пневматические.

3) Электрические.

 

По конструкции:

1) а) Мембранные

б) Поршневые

в) Лопастные

г) Гидромуфты

2) а) Мембранные

б) Поршневые

в) Сильфонные

3) а) ЭД

б) ЭМ

в) Позиционного типа

г) Постоянной скорости

д) Переменной скорости

 

Мембранные и поршневые:

1) пружинные

2) безпружинные

 

Все исполнительные механизмы:

1) прямоходные

2) однооборотные

3) многооборотные

 

Исполнительные устройства должны обеспечивать работу регулирующих органов. Для дросселирующих РО требуется определенное силовое воздействие для его перестановки. Для дозирующих РО необходимо изменение режима их работы или некоторых параметров. Исходя из этого ИУ подразделяют на силовые и параметрические. Силовые ИУ создают управляющее воздействие в виде силы (момента) или перемещения, параметрические – изменяют состояние РО. Силовые ИУ содержат в своем составе механические передачи, а также различного рода двигатели и часто называются силовыми приводами.

Двигатели – это устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую для выполнения механической работы.

В зависимости от вида двигателя различают электрические, механические, гидравлические и пневматические исполнительные механизмы. Конструктивно ИМ часто выполняются как многокаскадные усилительные преобразователи. По характеру перемещения выходного элемента они бывают непрерывного и дискретного действия, а также поступательного и вращательного движения. Различают ИМ реверсивные и нереверсивные. Основными характеристиками исполнительных механизмов являются коэффициент усиления по мощности, скорость (постоянная или переменная) и усилие (перемещение) на выходе.

Преобразователи, предназначенные для увеличения значения выходной величины или мощности, называют усилителями. В этом случае коэффициент преобразования называют коэффициентом усиления (он больше единицы).

Встречаются простые усилительные элементы, не требующие дополнительной энергии. Они могут использоваться для усиления входных величин без усиления мощности. К ним относятся механические рычаги, увеличивающие перемещение или силу, гидравлический пресс, электрический трансформатор.

В общем случае усилительный преобразователь увеличивает выходную величину по мощности за счет использования энергии внешнего источника. Усилитель мощности можно рассматривать как систему управления внешним источником энергии, в котором модулированный входной сигнал вызывает изменение параметров внешнего источника в соответствии с входным сигналом, направляется на выход усилителя.

Усилительные преобразователи могут встречаться в любых функциональных узлах системы управления. Однако необходимость их использования наиболее часто возникает в устройствах воздействия. Для передачи информационных сигналов требуется небольшая мощность, которая определяется уровнем помех и шумов. Для передачи и формирования управляющих воздействий требуются значительные мощности.

Наибольшее распространение в современных системах автоматики получили электрические преобразователи. Для усиления электрических сигналов в измерительных устройствах используются электронные усилители на базе транзисторов и интегральных схем. В качестве электромеханических усилителей применяют реле, контакторы. В ряде случаев используют бесконтактные магнитные усилители, представляющие собой электромагнитные устройства.

В пневматических и гидравлических усилителях увеличение передаваемого механического воздействия осуществляется за счет потенциальной энергии рабочей среды (жидкости или газа под давлением, создаваемым внешним источником). Схемы таких усилителей практически ничем не отличаются. В гидравлических усилителях в качестве энергоносителя внешнего источника используются жидкости, не изменяющие своих физико-химических свойств в процессе эксплуатации: минеральные масла, синтетические смеси, реже вода. Жидкость подается в усилитель насосом. В пневматических усилителях в качестве энергоносителя используются газы (чаще воздух, нагнетаемый компрессором).

Различают два типа усилителей: джроссельные и струйные. Конструктивно дроссельные усилители могут быть выполнены в виде задвижек, заслонок, игл, сопел с заслонками и т.д.

В дроссельных усилителях рабочая жидкость или газ под постоянным давлением Р₁ подается от внешнего источника через входной дроссель 1. Пройдя через дроссель, образуемый цилиндром (золотником) 2 или заслонкой 3, давление среды становится равным Р₂. Давление на выходе Р_y зависит от величины x перемещения цилиндра или заслонки. Такие усилители могут реализовать два вида функций преобразования: P_y=j(x) и F_y=j(x). Если в качестве заслонки использовать мембрану датчика давления, то такие преобразователи становятся однородными по входной и выходной величинам.

Преобразователи типа сопло-заслонка могут быть обратимыми, т.е. у них можно менять вход с выходом.

 

 

 

 

Рис. Схемы дроссельных усилителей:

а – золотникового; б – типа сопло-заслонка; 1 – входной дроссель; 2 – золотник; 3 – заслонка.

В струйных усилителях основным элементом является струйная трубка, состоящая из поворотной трубки 2, которая воспринимает сигнал управления x, и приемника 1 с двумя соплами. Принцип работы струйного усилителя основан на преобразовании кинетической энергии жидкости, направляемой под давлением Р в поворотную трубку 2, в потенциальную энергию давлений Р₁ и Р₂ на выходе двух сопел. Если трубка расположена в среднем положении, то давление Р₁ = Р₂. Если под действием сигнала х трубка отклоняется, например в сторону сопла Р₁ , то давления Р₁ и Р₂ изменятся: одно возрастет, другое уменьшится. В зависимости от положения трубки 2 разность давлений в соплах изменяется от Р до 0.

Рис. Схема струйного усилителя. 1- приемник, 2 – поворотная трубка.

 

Характеристики исполнительных механизмов.

  1) – имеют линейную характеристику 1 (идеальная). Перемещение вала… 2) – ПИМ, в идеале имеют интегральную характеристику 3, перемещение вала исполнительного механизма от перепада…

Схема а) позволяет получить идеальное П-звено.

Схема б) система с введением ОС только на управляющую часть. Следует выбирать закон регулирования в управляющей части с учетом ОПФ ИМ. Если необходимо получить ПИ-закон управления, а ИМ поршневого типа с ОПФ И-звена, то ОПФ звена ОС должно соответствовать А-звену 1-го порядка: ,

Схема в) введение ОС только на исполнительную часть позволяет улучшить линейность системы, особенно при введении ЖОС. Тогда ИМ реализует П-звено, управляющая часть должна полностью реализовывать требуемый закон регулироваия.

 

Гидравлические ИМ.

 

Поршневого и лопастного типа. В ГИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления жидкости на мембрану, поршень, лопасть. Давление жидкости в них: ()10³ кПА.

Поршневого типа:

ПИМ поступательного типа состоят из цилиндра 2, внутри которого движется поршень со штоком 3. Для перемещения поршня нужно преодолеть силы трения F₁, нагрузку на штоке R₁ и противодавление жидкости с другой стороны поршня. Условие движения: , где

S – площадь поршня

Р – давление жидкости на поршень, направленное в сторону движения

Р_n – противодавление жидкости со стороны слива.

Тогда скорость движения поршня: , где Q – объемный расход жидкости.

Скорость перемещения поршня: , где Y – величина перемещения штока пропорционально Q. Это входная величина, которая регулируется элементом 1 – подвод масла. Такие ИМ относятся к И-звену: .

Лопастного типа:

Такие ИМ сразу обеспечивают на выходе вращательное движение вала. При Р₁>Р₂ – лопасть поворачивается. Угол поворота: до 300⁰. Такой ИМ представляет собой цилиндр 1, внутри которого вращается лопасть 2. Рабочая жидкость поступает через каналы, расположенные по обе стороны от лопасти.

 

Достоинства ГИМ:

1) простота конструкции

2) надежность аппаратуры в эксплуатации

Недостатки ГИМ:

1) при удалении на большое расстояние от РУ необходимость установки гидроусилителей

2) значительная потеря энергии: от рабочего перепада Р

 

ГИМ кривошипные с углом поворота 90⁰

 

Пневматические ИМ

 

Мембранопружинные – МИМ

Поршневые сервоприводы – ПСП (с кривошипом, поступательного движения).

МИМ могут быть с возратнопоступательным движением и с поворотным.

Недостатки: ограниченное по величине перестановочное усилие. ПСП: создают значительное перестановочное усилие и большую величину… ПИМ и ГИМ: ПСП и МИМ бывают: