Глава 6. Общие сведения об измерении и контроле

1. ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ

ТЕХНИКИ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ

Контроль параметров технологических процессов, об­работанных деталей и изделий, запыленности и загазованности атмосферы цеха является неотъемлемой частью современного производства. Очевидно, что в любом автоматизированном произ­водстве контроль также должен быть автоматизирован.

Измерение технологического параметра (физической вели­чины) — это сравнение его с величиной, принятой за единицу измерения, с помощью специальных технических средств. Число, показывающее отношение измеряемой величины к единице изме­рения, называют численным значением измеряемой величины.

К числу технических средств измерения относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и изме­рительные системы.

Мера — эталон, служащий для хранения и воспроизведения единицы измерения. Например, за эталон длины принят метр.

Измерительным преобразователем называют устройство, предназначенное для преобразования измеряемого параметра в сигнал, удобный для дальнейшей передачи на расстояние или в цепь управляющего устройства. Преобразователи подразделяют на первичные (датчики), промежуточные, передающие и масштаб­ные. Измеряемую величину называют входной, а результат пре­образования — выходным сигналом. Первичные преобразователи предназначены для преобразования физических величин в сиг­налы, а передающие и промежуточные преобразователи формируют сигналы, удобные для передачи на расстояние и регистрации. К масштабным относят преобразователи, с помощью которых измеряемая величина изменяется в заданное число раз, т. е. они не преобразуют одну физическую величину в другую.

Измерительным прибором называют устройство, предназначен­ное для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (оператором). Измерительные приборы делят на две группы. К первой группе относят аналоговые приборы, показания которых являются не­прерывной функцией измеряемого параметра. Вторая группа включает в себя цифровые приборы. Они вырабатывают дискрет­ные сигналы измеряемой информации в цифровой форме.

Измерительная система объединяет измерительные преобра­зователи и приборы, обеспечивая измерения параметра без участия человека.

Государственный стандарт устанавливает применение Между­народной системы единиц (СИ) во всех областях науки и техники.

В состав СИ входят семь основных единиц,-две дополнительные и двадцать семь важнейших производных единиц.

В состав основных единиц входят: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль), кандела (кд).

К дополнительным единицам системы СИ относятся раДиан и стерадиан, а все остальные единицы являются производными. Например, единица силы — ньютон (Н), сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с.⁸; единица давления — паскаль (Па), за еди­ницу давления принимается такое равномерно распределенное давление, при котором на 1 м¹ действует нормально к поверх­ности сила, равная 1 Н, и т. п.

Все измерения делят на прямые и косвенные. При прямых измерениях числовое значение измеряемого параметра определяют непосредственно измерительным прибором: например, измере­ние температуры термометром или линейных размеров детали мерительным инструментом. Косвенные измерения предусматри­вают определение искомого параметра на основании прямого измерения вспомогательной величины, связанной с измеряемым параметром определенной функциональной зависимостью. На­пример, определение объема тела по его длине, ширине и высоте или измерение температуры по изменению электропроводности термометра сопротивления.

стройки прибора и его взаимодействия с ббъектом измерения, динамические и субъективные погрешности.

Погрешности метода измерения являются результатом вы­бранной схемы измерения, не позволяющей устранить источники известных погрешностей; Инструментальные погрешности зависят от несовершенства измерительных устройств, т. е. от погрешностей изготовления деталей измерительного прибора. Погрешности на­стройки измерительных приборов определяются условиями экс­плуатации. Погрешности могут возникать при взаимодействии прибора с объектом измерения; например, такие погрешности, которые вызываются влиянием измерительного усилия на де­формацию измеряемой детали. Динамические погрешности возни­кают при преобразовании измеряемой величины. Динамические погрешности появляются в результате инерционности изменения измеряемого параметра. Субъективные погрешности появляются вследствие ограниченных физических возможностей оператора.

В зависимости от условий работы различают два вида погрешностей: основные и дополнительные. Основные погрешности имеют место при нормальных режимах работы измерительного прибора, когда влияние внешних факторов минимально. Дополнительные погрешности вызываются воздействием внешних факторов, нару­шающих нормальные условия работы прибора, например, измене­нием температуры или давления окружающей среды.

Если значение абсолютной погрешности Д отнести к истинному значению Л₀ измеряемого параметра, то получим относительную погрешность 8, т. е.

в = А !А₀.

Отношение абсолютной погрешности А к диапазону шкалы прибора N называют приведенной относительной погрешностью т. е.

£ = А/Л/.

Если прибор имеет двустороннюю шкалу, то погрешность показаний относят к сумме верхнего и нижнего пределов шкал. При наличии безнулевой шкалы (шкала начинается не с нуля) погрешность показаний относят к разности между верхним и нижним значениями шкалы.

Максимальное значение погрешности характеризует класс точ­ности прибора.

Контрольно-измерительные приборы подразделяют на классы точности, обозначаемые цифрами: 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и т. д. Эти цифры ставят на шкалах приборов и обводят круж­ками. Их значение соответствует погрешности прибора.

Различают также статические и“ динамические погрешности. Первые имеют место при установившемся значении измеряемого параметра и постоянных внешних условиях работы прибора. Если специально не оговорено, то под погрешностью прибора подразумевается статическая погрешность. Динамическая погрешность возникает в результате инерционности измеряемого параметра.

3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Прямые измерения осуществляются четырьмя основ­ными методами: непосредственной оценки, нулевым (компенса­ционным), дифференциальным и замещения.

При методе непосредственной оценки измеряемый параметр непо­средственно сравнивают с мерой или определяют отсчетом на изме­рительном приборе. Примерами применения этого метода могут служить измерение температуры — термометром или давления — манометром.

При нулевом методе измерения воздействие, производимое измеряемым параметром, сопоставляют (компенсируют) в изме­рительном устройстве с противоположным по направлению воз­действием другого, известного, параметра таким образом, чтобы результативное воздействие было равно нулю. Совпадение значе­ний измеряемого и известного параметров отмечают при помощи нулевого указателя (нуль-индикатора), например при измерении температуры с помощью термопары, подключенной к потенциометру.

В дифференциальном методе используют как компенсацию, так и непосредственную оценку. Воздействие, производимое изме­ряемым параметром, частично уравновешивают противоположно направленным воздействием известного параметра, а затем непо­средственным отсчетом измеряют нескомпенсированную часть. Например, при измерении напряжения в 720 мВ оно компенси­руется противоположно направленным напряжением 700 мВ, а стрелочным милливольтметром измеряется остаточное напряжение, равное 20 мВ, Если бы это измерение осуществлялось методом непосредственной оценки на милливольтметре с классом точности 0,5 и шкалой 0 — 1500 мВ, то погрешность измерения составила бы ±7,5 мВ. При дифференциальном методе с милливольтметром такого же класса точности можно использовать шкалу 0 — 45 мВ, что обеспечит погрешность ±0,225 мВ. Следовательно, точность дифференциального метода значительно выше (в данном примере в 33 раза).

Измерение методом замещения осуществляют следующим об­разом: воздействие неизвестного параметра определяют каким- либо прибором, затем он замещается известным параметром, да­ющим такое же воздействие и определенным тем же прибором. При этом значение измеряемого параметра приравнивают значе­нию замещающей величины. Например, для измерения неизвест­ного электрического сопротивления проводника его включают в цепь с источником тока и гальванометром. Зафиксировав пока­зание последнего, вместо указанного проводника включают раз­личные резисторы из набора резисторов до тех пор, пока показание гальванометра не станет таким же.

\ Контрольно-измерительные приборы можно классифицировать по различным признакам: срособу отсчета измеряемого параметра, метрологическому назначению, роду измеряемого параметра и месту выдачи информации.

По способу отсчета измеряемой величины приборы подразде­ляют на компарирующие (приборы с ручной наводкой), показы­вающие, регистрирующие, интегрирующие, сигнализирующие и комбинированные.

Компарирующие приборы служат для сравнения мер друг с дру­гом или для сравнения измеряемого параметра с мерами или образцами. К числу таких приборов относят весы, потенциометры и т. д.

Показывающие приборы дают значения измеряемого параметра в момент измерения. Они бывают стрелочными или цифровыми.

В стреловых приборах либо стрелка перемещается вдоль шкалы, либо шкала перемещается относительно неподвижной стрелки.

В цифровых показывающих приборах как правило используют люминесцентные или газоразрядные элементы (индикаторы) и электронно-лучевые трубки.

Регистрирующие приборы автоматически записывают резуль­таты измерения в течение всего времени работы прибора. Запись, как правило, ведется на бумажной ленте или бумажном диске, что позволяет по характеру кривой судить о всех изменениях изме­ряемого параметра за тот или иной промежуток времени.

Наиболее распространены две формы записи. В первом случае перо вычерчивает на диаграмме непрерывную кривую, во втором случае специальное печатающее устройство периодически отмечает на диаграмме значение измеряемого параметра.

Регистрирующие приборы выпускают одноканальные и много­канальные (с числом каналов 2, 3, 6, 12 и 24). Последние позво­ляют регистрировать значение параметра в нескольких аппара­тах или печах, число которых равняется числу каналов прибора.

Интегрирующие приборы (счетчики) позволяют определить суммарное значение измеряемого параметра.

Сигнализирующие приборы предназначены для непрерывного измерения значения контролируемого параметра и сигнализации о его отклонении от заданного.

Комбинированные приборы представляют собой сочетание раз­личных приборов: например, счетчики монтируют в одном кор­пусе с показывающим или самопишущим прибором. В комбиниро­ванные приборы могут встраиваться и регулирующие устройства.

По метрологическому назначению приборы подразделяют на рабочие, контрольные, образцовые и эталонные.

Рабочие приборы предназначены для обычных измерений, их, в свою очередь, подразделяют на лабораторные и технические.

Первые, как правило, работают более точно и снабжены поправ­ками к показаниям, учитывающим влияние условий применения. Вторые (технические) приборы используют в действующем про­изводстве.

Контрольные приборы изготовляют более высокого класса точности и применяют для поверки технических приборов на месте их установки. Поверкой называют сравнение показаний рабочего и контрольного приборов для определения погрешности первого или поправки, требующейся к его показаниям.

Образцовые приборы применяют для поверки и градуировки контрольных и рабочих приборов.

Эталонные приборы служат для хранения единиц измерения наивысшей точности и поверкй образцовых приборов.

По роду измеряемого параметра, т. е. по функции приборы подразделяют на следующие группы: контроля температуры, кон­троля давления и разряжения, контроля расхода и количества, контроля уровня и т. п.

Решение такой важной народнохозяйственной задачи, какой является проблема обеспечения качества продукции, в значитель­ной степени зависит от достижений единства и достоверности из­мерений в масштабах всего народного хозяйства. С этой целью в СССР создана Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), базирующаяся на комплексах нормативно-тех­нических документов. Основными документами ГСИ являются государственные стандарты. На основе этих стандартов конкрети­зируются общие требования к методикам выполнения измерений и их областям.

С целью достижения качественного единообразия средств изме­рений и систем автоматического контроля, регулирования и управ­ления технологическими процессами в СССР разработана Госу­дарственная система промышленных приборов и средств автомати­зации (ГСП). Этз система обобщает и согласует метрологические показатели и эксплуатационные характеристики приборов, а так­же обеспечивает общую технологическую базу для их производ­ства.

Для обеспечения контроля и внедрения указанных систем (ГСИ и ГСП) в СССР создана Государственная метрологическая служба, которая также занимается государственными испытаниями всех средств измерений, предназначенных для серийного произ­водства.

За эксплуатируемыми средствами измерения осуществляется метрологический надзор, включающий комплекс правил и поло­жений по организации и порядку проведения работ по поверке, ревизии и экспертизе средств измерения.

Основной формой государственного надзора является поверка средств измерения. Измерительные приборы подвергают первич­ной, периодической и инспекционной поверкам. Первичная по­верка проводится при изготовлении или после ремонта прибора.

Периодическая поверка осуществляется в перйод эксплуатации и хранения прибора через определенные интервалы времени, уста­навливаемые метрологической службой производства.

Все виды поверок проводят работники метрологического над­зора. При положительных результатах поверки на прибор на­кладывается поверочное клеймо и выдается свидетельство о по­верке. При установлении несоответствия поверяемого прибора своему классу точности последний снимается с эксплуатации до устранения недостатков.

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется измерениями и как они подразделяются?

2. Расскажите о Международной системе единиц измерения (СИ).

3. Что такое абсолютная погрешность и как она определяется?

4. Какие бывают виды погрешностей?

5. Как определяется класс точности прибора и что он характеризует?

6. Как классифицируются методы измерения?

7. Расскажите о классификациях измерительных приборов.

8. Что понимают под поверкой прибора?