Файл: Учебное пособие Москва Вологда ИнфраИнженерия.pdf

М. Н. Молдабаева
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
И ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ
Учебное пособие
Москва Вологда
«Инфра-Инженерия»
2019

2
УДК 53.08
ББК 30.10
М75
Рецензенты:
д-р пед. наук Алдияров К. Т.; преподаватель специальных дисциплин Муханбетова Р. Ж.; главный инженер тепло-холодного снабжения и вентиляции АО «АИФН Керуен-Сити» Ратов С. Т.
Молдабаева, М. Н.
М75 Контрольно-измерительные приборы и основы авто- матики : учебное пособие / М. Н. Молдабаева. – Москва ;
Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. – 332 с. : ил., табл.
ISBN 978-5-9729-0327-6
Рассмотрены основные понятия метрологии, виды измере- ний, устройство и принципы работы различных контрольно- измерительных приборов. Даны подробные указания по выпол- нению лабораторных работ и тестовые задания.
Для студентов технического и профессионального образова- ния, обучающихся по специальности «Управление в техниче- ских системах», а также инженеров КИПиА.
УДК 53.08
ББК 30.10
ISBN 978-5-9729-0327-6
 Молдабаева М. Н., 2019
 Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

3
Предисловие
Наука начинается там,
где начинаются измерения.
Д. И. Менделеев
В нашей жизни в связи с развитием науки, техники, раз- работкой новых технологий, эталонов и приборов измере- нию поддаются всё более современные физические вели- чины, а диапазоны измерений расширяются.
Постоянно растут требования к точности измерений.
В таких условиях, чтобы разобраться с вопросами и про- блемами измерений, метрологического обеспечения и обес- печения единства измерений, нужен единый научный и за- конодательный фундамент, обеспечивающий в практиче- ской деятельности высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они проводятся.
Таким фундаментом является метрология.
Измерения служат для познания природы: точность из- мерений — это путь к открытиям, хранению и примене- нию точных знаний.
Измерять начали с давних пор. С каждым годом роль измерений становилась все более важной. Человечество далеко продвинулось в технике измерений.
Пользуясь современными методами, ученые точно из- меряют свойства вещей и явлений. Эти измерения являют- ся одним из средств овладевания природой, подчинения ее нашим нуждам.
Метрология — это наука об измерениях и методах обеспечения их единства.
Метрология охватывает широкий круг вопросов, связан- ных как с теоретическими проблемами, так и с задачами практики. Содержание метрологии составляют: общая теория измерений, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений, методы определения точно- сти измерений, основы обеспечения единства измерений

4 и единообразия средств измерений, эталоны и образцовые средства измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерения. Большое значение имеет изучение метрологических характеристик средств из- мерений, влияющих на результаты и погрешности измере- ний.
Сегодня измерения пронизывают все сферы жизни. Толь- ко родившийся человек, еще не имея имени, сразу становится объектом измерений. В первые минуты жизни к нему приме- няют средства измерения длины, массы и температуры.
В повседневной жизни мы также постоянно сталкиваемся с количественными оценками. Мы оцениваем температуру воздуха на улице, следим за временем, решаем, насколько выгодно и рационально практически любое наше действие.
С измерениями связана деятельность человека на любом предприятии. Инженеры промышленных предприятий, осу- ществляющие метрологическое обеспечение производства, должны иметь полные сведения о возможностях измеритель- ной техники для оценки взаимозаменяемости узлов и дета- лей, контроля производства продукции на всех его жизнен- ных циклах.
Метрология занимает особое место среди технических наук, поскольку она впитывает в себя последние научные достижения. Это выражается в совершенствовании ее эта- лонной базы и способов обработки результатов измерений.
Во-первых, метрология обеспечивает другие отрасли зна- ния тем необходимым инструментарием, без которого не- возможна никакая постановка технического эксперимента, в частности его воспроизводимость.
Во-вторых, именно это последнее свойство является ос- новой всякой, без исключений, технологии. И потому мет- рология выступает как один из гарантов технического про- гресса.
И наконец, в-третьих, в обществе метрология играет роль одного из регуляторов социально-экономических

5 отношений, принадлежит сфере государственного регули- рования и в силу этого оказывает влияние на социальное развитие в целом.
Развитие современных измерительных технологий и средств измерений, в первую очередь высокотехнологичных, способствует развитию как промышленности, так и науки и экономики в целом. Так происходит, потому что речь идет о высокотехнологичном производстве, дающем рабочие ме- ста для высококвалифицированных, высокообразованных специалистов технических отраслей.
Метрология стала наукой, без знания которой не может обойтись ни один специалист любой отрасли. В настоящее время метрология развивается по нескольким направлениям.
Если еще в начале XX века под словом «метрология» пони- малась наука, главной задачей которой было описание всяко- го рода мер, применяемых в разных странах, то теперь это понятие приобрело гораздо более широкий научный и прак- тический смысл. Расширилось содержание метрологической деятельности и появилось понятие метрологического обес-
печения производства.
Метрология состоит из трех основных разделов:

Теоретическая, или фундаментальная, метрология рассматривает общие теоретические вопросы, свя- занные с разработкой теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измере- ний.

Прикладная метрология — это сфера практического применения разработок теоретической метрологии.
В ее ведении находятся все вопросы метрологиче- ского обеспечения.

Законодательная метрология определяет обяза- тельные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

6
ГЛАВА 1
Системы автоматического контроля
и основы метрологии
§ 1.1. Системы автоматического контроля
Системой автоматического контроля называют систему, состоящую из объекта контроля и различных устройств, выполняющих функции измерения. Под объектом контроля понимают агрегат или процесс, в котором одну или не- сколько величин измеряют.
В большинстве случаев система автоматического кон- троля одной величины включает четыре элемента:
 объект,
 чувствительный элемент,
 линию связи,
 измерительное устройство.
Чувствительный элемент устанавливают непосредствен- но в объекте контроля, он воспринимает величину контро- лируемого (измеряемого) параметра и преобразует ее в со- ответствующий сигнал, поступающий по линии связи к из- мерительному устройству. Структурная схема такой систе- мы показана на рис. 1.1, где каждый из элементов пред- ставлен прямоугольником; стрелки между прямоугольни- ками показывают направление передачи сигналов с одного элемента на другой. Элементы характеризуются сигналами на входе и выходе, называемыми также входными и выход- ными сигналами. Здесь передача сигнала идет в одном направлении, т. е. от объекта к измерительному устройству.
Такие системы автоматического контроля называют разо-
мкнутыми. В некоторых системах контроля чувствитель- ный элемент является элементом измерительного устрой- ства. В этом случае линия связи между чувствительным и измерительным элементами отсутствует, а структурные схемы системы контроля соответствуют схемам, приведен- ным на рис. 1.2.

7
Если измерительный прибор, например термометр или манометр (прибор для измерения давления), устанавливают непосредственно на объекте, то системе контроля соответ- ствует схема на рис. 1.2, а. Если же измерительный прибор, например манометр, установлен на небольшом расстоянии от объекта и соединен с объектом линией связи (трубкой), то системе контроля соответствует схема на рис. 1.2, б.
Системы автоматического контроля подразделяются на местные, дистанционные и телеизмерительные.
Системы контроля, в которых измерительные устройства расположены вблизи объекта (вблизи места установки чув- ствительного элемента), называются местными.
Автоматический контроль можно осуществлять и на рас- стоянии от контролируемого объекта, удлинив линию связи между чувствительным элементом и измерительным устрой- ством. В этих случаях система местного контроля усложняет- ся введением в измерительное устройство преобразователя для преобразования результата измерения в пропорциональ- ный пневматический или электрический сигнал.
Рис. 1.1. Структурная схема системы автоматического контроля:
0 — объект; ЧЭ — чувствительный элемент;
ЛС — линия связи; ИУ — измерительное устройство
Рис. 1.2. Структурные схемы систем автоматического контроля
без чувствительных элементов (обозначения те же, что и на
рис. 1.1): а — прибор установлен на объекте;
б — прибор установлен вне объекта
Последний содержит информацию о величине измеряе- мого параметра и по соответствующей линии связи пере- дает ее другому измерительному устройству, располо- женному на расстоянии от объекта контроля. Во втором

8 измерительном приборе осуществляется обратное преобра- зование сигнала, переданного по линии связи, в результат измерения. Подобная система автоматического контроля называется дистанционной. Таким образом, дистанционная система контроля имеет два измерительных устройства: первичный и вторичный приборы.
В зависимости от вида используемой энергии дистанци- онные системы подразделяются на пневматические, элек- трические и гидравлические.
В пневматических системах используется энергия сжато- го воздуха. К первичному прибору подводится воздух под постоянным избыточным давлением 0,14 МПа (1,4 кгс/см
2
), а на его выходе давление изменяется в зависимости от вели- чины измеряемого параметра в пределах от 0,02 до 0,1 МПа
(от 0,2 до кгс/см
2
).
В электрических системах используется электроэнергия.
В первичном приборе результат измерения преобразуется в силу или напряжение постоянного электрического тока или напряжение переменного электрического тока, величины которых пропорциональны результату измерения. В элек- трических системах дистанционной передачи используются также частотные преобразователи, которые преобразуют результат измерения в пропорциональную величину часто- ты переменного тока.
В химической, нефтехимической и промышленности по производству минеральных удобрений в основном приме- няют пневматические дистанционные системы автоматиче- ского контроля. Электрические системы используют значи- тельно реже, а гидравлические не применяют вообще.
Для передачи результатов измерения на расстояние десятков и сотен километров применяют телеизмеритель-
ные системы контроля. В таких системах результат изме- рения при помощи преобразователя в первичном приборе преобразуется в кодированные, обычно дискретные сигна- лы, передаваемые по каналу (линии) связи. Во вторичном

9 приборе, установленном на другом конце канала связи, эти сигналы преобразуются в результат измерения и фиксиру- ются в цифровой или аналоговой форме.
В сфере управления сложными производственными про- цессами находят применение системы централизованного контроля. В этом случае вторичные приборы устанавлива- ют на центральном щите. В крупных цехах с большим чис- лом точек контроля центральный щит может достигать де- сятков метров в длину и становиться недоступным для обо- зрения оператора. Для наилучшей организации централизо- ванного контроля применяют специальные машины — машины централизованного контроля (МЦК), которые со- бирают и автоматически обрабатывают информацию при контроле сложных производственных процессов.
Выходная информация, которая используется для воз- действия на контролируемый процесс, называется опера- тивной. Чтобы сократить выходную информацию о боль- шинстве контролируемых величин, ее можно заменить сиг- нализацией, которая включается только тогда, когда какая- либо контролируемая величина достигает некоторого напе- ред заданного значения. Обычно при отклонении контро- лируемого параметра от заданного значения машина выдает световой (зажигание или мигание лампочки) или звуковой
(звонок, гонг) сигнал. Значения контролируемых величин могут быть также получены оператором по вызову. Откло- нения контролируемых параметров от установленных пре- делов измерения по вызову регистрируются в непрерывной или цифровой форме.
§ 1.2. Основы метрологии
Методы измерения. Под методом измерения понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Для прямых измерений можно выделить несколь- ко основных методов: непосредственная оценка, сравнение

10 с мерой, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадения.
Метод непосредственной оценки дает значение изме- ряемой величины по отсчетному устройству измерительно- го прибора прямого действия. Например, измерение давле- ния пружинным манометром. Точность измерений этим ме- тодом бывает ограниченной, но быстрота процесса измере- ния делает его незаменимым для практического примене- ния. Наиболее многочисленной группой средств измерений, использующих этот метод, являются показывающие, в том числе и стрелочные, приборы (манометры, вольтметры, расходомеры).
В случае выполнения особо точных измерений приме- няют метод сравнения с мерой: измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Напри- мер, измерение массы на рычажных весах с уравновешива- нием гирями.
По дифференциальному (разностному) методу измеря- ют разность между значениями измеряемой и известной
(воспроизводимой мерой) величин. Например, сравнение измерений с образцовой мерой на компараторе при повер- ке мер длины. Дифференциальный (разностный) метод позволяет получать результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Но реализовать этот метод можно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряе- мой. Это во многих случаях легче, чем изготовить средство измерений высокой точности.
Нулевой (компенсационный) метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воз- действия измеряемой величины и меры на прибор сравне- ния доводят до нуля. Для воспроизведения физических ве- личин определенного размера, служащих для сравнения, в нулевом методе измерения применяют меры этих величин.

11
Примеры: измерение электрических величин (ЭДС, напря- жения, емкости, сопротивления и др.), а также неэлектриче- ских величин, преобразованных в электрические (темпера- туры, давления, деформаций и т. д.), с применением потен- циометров и измерительных мостов.
Метод совпадения — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины оценивают, используя сов- падение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т. е. с фик- сированной отметкой на шкале физической величины).
Качество измерений. По ГОСТ качество измерений ха- рактеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.
Точность — это качество измерений, отражающее бли- зость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует ма- лым погрешностям всех видов.
Достоверность измерений характеризует степень дове- рия к результатам измерений.
Под правильностью измерений понимают качество из- мерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.
Сходимость — это качество измерений, отражающее близость результатов измерений, выполняемых в одинако- вых условиях.
Воспроизводимость — это такое качество измерений, ко- торое отражает близость друг к другу результатов измере- ний, выполняемых в различных условиях (в различное вре- мя, в различных местах, разными методами и средствами).
Погрешность измерения есть отклонение результатов из- мерения от истинного значения измеряемой величины.
По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные. Абсолют- ной называется погрешность измерения, выраженная в еди- ницах измеряемой величины. Она определяется выражением