Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Погрешности средств измерений






 

При любом измерении имеется погрешность, представляющая собой отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. На рисунке 1.8 приведена классификация погрешностей средств измерений по ряду признаков.

 

 

Рис. 1.8. Классификация погрешностей измерительных устройств

 

 

Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. По характеру проявления систематические погрешности разделяются на постоянные и переменные. Переменные в свою очередь могут быть прогрессирующими, периодическими и изменяющимися по сложному закону.

 

Для исключения систематической погрешности наибольшее распространение в практике получил метод поправок.

 

Случайная составляющая погрешности при повторных измерениях одной и той же величины изменяется случайным образом. Обычно она является следствием одновременного действия многих независимых причин, каждая из которых в отдельности мало влияет на результат измерения. Случайные погрешности не могут быть исключены из результата измерения, но теория вероятности и математическая статистика позволяют оценить результат измерения при наличии случайных погрешностей. Они характеризуются свойствами, которые формулируют двумя аксиомами:

 

Аксиома случайности — при очень большом числе измерений слу­чайные погрешности, равные по величине и различные по знаку, встреча­ются одинаково часто. Число отрицательных погрешностей равно числу положительных.

 

Аксиома распределения — малые погрешности встречаются чаще, чем большие. Очень большие погрешности не встречаются.

 

Случайные погрешности рассматриваются как случайные величины, подчиняющиеся некоторому симметричному закону распределения.

 

Основной погрешностью называют погрешность при использовании средства измерений в нормальных условиях. Нормальными условиями применения средств измерений называют условия, при которых влияющие величины имеют номинальные значения или находятся в пределах нормальной области значений. Нормальные условия применения указываются в стандартах или технических условиях на средства измерений. При использовании средств измерений в нормальных условиях считают, что влияющие на них величины практически никак не изменяют их характеристики.

 

Дополнительной погрешностью измерительного преобразователя (или изменением показаний измерительного прибора) называют изменение его погрешности, вызванной отклонением одной из влияющих величин от ее нормативного значения или выходом ее за пределы нормальной области значений. Дополнительная погрешность может быть вызвана изменением сразу нескольких влияющих величин.

 

Изменение погрешности, как и других характеристик и параметров измерительных устройств под действием влияющих величин, описывается функциями влияния.

 

Иными словами, дополнительная погрешность – это часть погрешности, которая добавляется (имеется в виду алгебраическое сложение) к основной в случаях, когда измерительное устройство применяется в рабочих условиях. Рабочие условия обычно таковы, что изменения значений влияющих величин для них существенно больше, чем для нормальных условий, т. е. область рабочих (часть этой области называют расширенной областью) условий включает в себя область нормальных условий.

 

В некоторых случаях основная погрешность измерительных устройств определяется для рабочей области изменения значений влияющих величин. В этих случаях понятие дополнительной погрешности теряет смысл.

 

В зависимости от режима применения различают статическую и динамическую погрешности измерительных устройств.

 

По форме представления принято различать абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерительных устройств. У измерительных приборов имеется шкала, отградуированная в единицах входной величины, либо шкала, отградуированная в условных единицах с известным множителем шкалы, поэтому результат измерения представляется в единицах входной величины. Это обусловливает простоту определения погрешности измерительных приборов.

 

Абсолютной погрешностью измерительного прибора Δ называют разность показаний прибора ХП и истинного (действительного) ХД значения измеряемой величины:

 

Действительное значение определяется с помощью образцового прибора или воспроизводится мерой.

 

Относительной погрешностью измерительного прибора называют отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой величины. Относительную погрешность выражают в процентах:

 

.

 

Так как Δ < < XД или ХП, то в вышеприведенном выражении вместо значения XД может быть использовано значение XП.

 

Приведенной погрешностью измерительного прибора называют отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению ХN. Приведенную погрешность также выражают в процентах:

 

.

 

В качестве нормирующего значения используется верхний предел измерений, диапазон измерений и др., т. е.

 

.

 

Средства измерений могут использоваться в статическом или динамическом режиме работы. В статическом режиме измеряемая величина не изменяется во времени, а отсчет выполняется тогда, когда практически окончены переходные процессы, вызванные подключением измеряемой величины ко входу средства измерений. В динамическом режиме измеряемая величина изменяется во времени. В соответствии с этим различают статическую погрешность средства измерений и погрешность средства измерений в динамическом режиме.

 

Очевидно, что погрешность средства измерений в динамическом режиме включает в себя статическую погрешность и погрешность, обусловленную инерционностью средства измерений. Последняя погрешность носит название динамической погрешности средства измерений и определяйся как разность между погрешностью средства измерений в динамическом режиме и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени.

 

При анализе погрешностей средств измерений и выборе способов их уменьшения весьма важным является разделение погрешностей по их зависимости от значения измеряемой (преобразуемой) величины. По этому признаку, погрешности делятся на аддитивные, мультипликативные, линейности и гистерезиса.

 

Аддитивную погрешность иногда называют погрешностью нуля, а мультипликативную – погрешностью чувствительности. Реально погрешность средства измерений включает в себя обе указанные составляющие.

 

Кроме того, номинальная функция преобразования средства измерений – это в большинстве случаев более простая функция (обычно линейная), чем градуировочная характеристика.

 

Графически образование перечисленных погрешностей показано на рисунке 1.9.

 

Рис. 1.9. Реальные функции преобразования измерительных устройств

 

 

Аддитивная погрешность постоянна при всех значениях измеряемой величины (рисунок 1.9, а). На рисунке видно, что реальная функция преобразования несколько смещена относительно номинальной, т. е. выходной сигнал измерительного устройства при всех значениях измеряемой величины X будет больше (или меньше) на одну и ту же величину, чем он должен быть, в соответствии с номинальной функцией преобразования.

 

Если аддитивная погрешность является систематической, то она может быть устранена. Для этого в измерительных устройствах обычно имеется специальный настроечный узел (корректор) нулевого значения выходного сигнала.

 

Если аддитивная погрешность является случайной, то ее нельзя исключить, а реальная функция преобразования смещается по отношению к номинальной во времени произвольным образом. При этом для реальной функции преобразования можно определить некоторую полосу (рисунок 1.9, б), ширина которой остается постоянной при всех значениях измеряемой величины.

 

Возникновение случайной аддитивной погрешности обычно вызвано трением в опорах, контактными сопротивлениями, дрейфом нуля, шумом и фоном измерительного устройства.

 

Мультипликативной (получаемой путем умножения), или погрешностью чувствительности измерительных устройств, называют погрешность, которая линейно возрастает (или убывает) с увеличением измеряемой величины.

 

Графически появление мультипликативной погрешности интерпретируется поворотом реальной функции преобразования относительно номинальной (рисунок 1.9, в). Если мультипликативная погрешность является случайной, то реальная функция преобразования представляется полосой, показанной на рисунке 1.9 (г). Причиной воз­никновения мультипликативной погрешности обычно является изменение коэффициентов преобразования отдельных элементов и узлов измерительных устройств.

 

На рисунке 1.9 (д) показано взаимное расположение номинальной и реальной функций преобразования измерительного устройства в случае, когда отличие этих функций вызвано нелинейными эффектами. Если номинальная функция преобразования линейная, то вызванную таким расположением реальной функции преобразования систематическую погрешность называют погрешностью линейности. Причинами данной погрешности могут быть конструкция (схема) измерительного устройства и нелинейные искажения функции преобразования, связанные с несовершенством технологии производства.

 

Зависимость вход-выход измерительных приборов без учета гистерезиса и ухода нуля может быть представлена в виде:

 

,

 

где xвх – измеряемая (входная) величина, yвых – выходная величина, a0, a1, …, an – градуировочные коэффициенты.

 

Реальная функция преобразования может быть представлена линией, примыкающей к прямой a0xвх (номинальная функция преобразования) (рисунок 1.10).

 

Рис. 1.10. Типичные градуировочные кривые: а – линейная; б – нелинейная при наличии в уравнении преобразования четных степеней xвх; в - нелинейная при наличии в уравнении преобразования нечетных степеней xвх; г – нелинейная при наличии в уравнении преобразования четных и нечетных степеней xвх.

 

 

Симметричная кривая (рисунок 1.10, в), описываемая уравнением с нечетными степенями xвх, наиболее желательна с точки зрения линейности. Как будет показано ниже, нелинейные, но симметричные кривые двух чувствительных элементов, включенных дифференциально, дают улучшение линейности путем исключения членов xвх с четными степенями.

 

Наиболее существенной и трудноустранимой систематической погрешностью измерительных устройств является погрешность гистерезиса (от греч. hysteresis – запаздывание), или погрешность обратного хода, выражающаяся в несовпадении реальной функции преобразования измерительного устройства при увеличении (пря­мой ход) и уменьшении (обратный ход) измеряемой величины (рисунок 1.9, е). Причинами гистерезиса являются: люфт и сухое трение в механических передающих элементах, гистерезисный эффект в ферромагнитных материалах, внутреннее трение в материалах пружин, явление упругого последействия в упругих чувствительных элементах, явление поляризации в электрических, пьезоэлектрических и электрохимических элементах и др. Существенным при этом является тот факт, что форма получаемой петли реальной функции преобразования зависит от предыстории, а именно от значения измеряемой величины, при котором после постепенного увеличения последней начинается ее уменьшение (на рисунке 1.9, е, это показано пунктирными линиями).

 

В цифровых (ЦИП) квантование по уровню и времени осуществляется путем замены через время Δ t (шаг квантования) значений непрерывной функции ближайшим дискретным уровнем с шагом Q. При этом максимальная погрешность от квантования составит

Δ кв = ± Q/2.

 

Приведенная погрешность определяется по формуле:

 

,

 

где ПД – полный диапазон измеряемой величины.

 

,

 

где N – число уровней квантования (интервалов).

 

.

 

Например, измеряет напряжение в диапазоне 0..150 В с γ = 0, 1 %. Для определения шага квантования запишем:

 

.

 

 

Методы повышения точности измерений

 

Для технологических измерений повышение точности измерений особенно важно в связи с широким применением АСУ ТП. Для решения этой задачи применяются различные методы (рисунок 1.11).

 

 

Рис. 1.11. Классификация методов повышения точности измерений

 

 

Уменьшения случайной составляющей погрешности измерений увеличивают число наблюдений (см. рисунок 1.10). Оценку среднеквадратического отклонения результата измерения, которая определяет собой случайную погрешность, теоретически можно сделать как угодно малой, увеличив число наблюдений n. Однако на практике в большинстве случаев трудно обеспечить постоянство самого объекта измерений в течение длительного времени, а это может при увеличении числа наблюдений n привести к увеличению погрешности, а не к ее уменьшению.

 

Другим методом повышения точности измерений за счет уменьшения случайной составляющей погрешности является использование параллельных одновременных измерений одной и той же физической величины. Для этого необходимо использовать сразу несколько средств измерений. Результаты наблюдений, полученных при этих измерениях, обрабатывают совместно. Теоретическая основа этого метода та же, что и предыдущего метода.

 

Ранее были рассмотрены основные методы исключения систематической погрешности, а именно: методы, основывающиеся на устранении источников систематической погрешности до начала измерений и методы исключения систематических погрешностей по окончании измерений. К числу последних относятся не только применение поправок и поправочных множителей, но и учет дополнительных погрешностей средств измерений.

 

Кроме этих методов применяют методы, позволяющие определять и исключать систематическую погрешность в процессе измерений. Последние основываются на такой организации процесса измерений и обработки получаемой измерительной информации, которые обеспечивают исключение погрешности или ее определение. Причем применение таких методов возможно и целесообразно в тех случаях, когда известна природа исключаемой систематической погрешности. К числу этих методов относятся: метод замещения, метод компенсации погрешности по знаку и различные методы, базирующиеся на совместных или совокупных измерениях.

 

При использовании метода компенсации погрешности по знаку процесс измерения организуется таким образом, что известная систематическая погрешность входит в результат каждого из двух повторных измерений с противоположным знаком. Это позволяет после определения среднего арифметического значения исключить систематическую погрешность.

 

Сущность методов, базирующихся на совместных или совокупных измерениях применительно к уменьшению систематических погрешностей, состоит в том, что в процессе этих измерений изменяют параметр, отвечающий за возникновение систематической погрешности, или осуществляют измерение физической величины совместно и последовательно с несколькими вспомогательными мерами. В результате получают систему независимых уравнений, из решения которой определяют значения измеряемой физической величины уже с учетом систематической погрешности.

 

Одним из наиболее радикальных путей повышения точности измерений при прочих равных условиях является использование более точных средств измерений. Появление и развитие микроэлектронной техники и микропроцессоров, обеспечивающие возможность практически полной автоматизации самых сложных измерительных процессов, позволили использовать для увеличения точности средств измерений рассмотренные выше методы повышения точности измерений. Наряду с этими методами для повышения точности средств измерений применяется ряд традиционных методов, классификация которых приведена на рисунке 1.12.

 

Рис. 1.12. Классификация методов повышения точности средств измерений

 

 

Метод многократных наблюдений используется для уменьшения случайной составляющей погрешности средства измерений и состоит в том, что: за некоторый постоянный интервал времени, отведенный для измерения, выполняют несколько наблюдений, затем с помощью вычислительного устройства, входящего в состав данного средства измерений, вычисляют среднее арифметическое значение измеряемой величины и оценку среднеквадратического отклонения результата измерения.

 

Метод многоканальных измерений аналогичен рассмотренному методу параллельных измерений (см. рисунок 1.12). Средства измерений, с помощью которых реализуется данный метод, содержат несколько идентичных по характеристикам параллельных измерительных цепей (каналов) и вычислительное устройство. Последнее, получая измерительную информацию по этим каналам, вычисляет среднее арифметическое значение измеряемой величины и оценку среднеквадратического отклонения результата измерения. Такой метод позволяет уменьшить случайную составляющую погрешности средства измерений.

 

Метод параметрической стабилизации, называемый еще конструктивно-технологическим, состоит в стабилизации статической характеристики средств измерений. Параметрическая стабилизация реализуется путем изготовления средств измерений из точных и стабильных элементов, параметры которых мало подвержены внеш­ним влияниям; термостабилизации; стабилизации параметров питания средств измерений; экранировки средств измерений от магнитных и электрических полей и т. п. Данный метод уменьшает систематическую и случайную погрешности средств измерений. Он является классическим в приборостроении. На основе этого метода до сих пор строится современный парк средств измерений.

 

Структурные методы основаны на том, что в состав средств измерений включаются дополнительные узлы, элементы и меры, обеспечивающие повышение точности этих средств измерений за счет информации, полученной с их помощью. Структурные методы повышения точности средств измерений подразделяют на методы, обеспечивающие стабилизацию статической характеристики средства измерений, и методы, основанные на коррекции этой характеристики.

 

Структурные методы стабилизации статической характеристики средств измерений (см. рисунок 1.12).

 

Метод отрицательной обратной связи реализуем только при наличии преобразовательных элементов или преобразователей, способных осуществлять преобразование выходного сигнала средства измерений во входной (обратный преобразователь). Создание таких преобразователей – часто сложная техническая задача. Применение данного метода обеспечивает уменьшение мультипликативной погрешности и погрешности нелинейности, а относительная аддитивная погрешность при этом не изменяется. В то же время использование метода приводит к уменьшению чувствительности средства измерения. Данный метод повышает точность средств измерения и наряду с методом параметрической стабилизации является наиболее распространенным.

 

Метод инвариантности состоит в том, что в средстве измерений помимо измерительной цепи (канала) имеется сравнительная цепь (канал), к которой не подается входной сигнал, но которая, как и измерительная цепь, находится под воздействием некоторой влияющей величины. Причем параметры сравнительной цепи подобраны так, что изменение ее сигнала под действием влияющей величины идентично изменению сигнала измерительной цепи под действием этой величины, т. е. возмущения, вызванные влияющей величиной, поступают в средство измерений по двум каналам (принцип двухканальности). Использование разности сигналов измерительной и сравнительной цепей (при дифференциальном включении этих цепей) обеспечивает независимость (инвариантность) результирующего сигнала от названной влияющей величины, т. е. метод обеспечивает исключение дополнительной погрешности, вызванной изменениями некоторой, как правило, основной влияющей величины.

 

Метод модуляции состоит в том, что сигнал, поступающий на вход средства измерений, или параметры этого средства измерений подвергаются принудительным периодическим изменениям (модуляции) с частотой, не совпадающей (обычно более высокой) с областью частот измеряемого сигнала. Использование метода моду­ляции позволяет уменьшить погрешности от сил трения, явлений поляризации и гистерезиса.

 

Метод прямого хода состоит в том, что измеряемый сигнал поступает к чувствительному элементу средства измерений через ключ, с помощью которого осуществляется периодическое во времени отключение измеряемого сигнала от чувствительного элемента и подача к последнему сигнала, значение которого равно нулю. Это обеспечивает работу средства измерений на восходящей ветви (прямой ход) статической характеристики при всех значениях измеряемого сигнала, что исключает наиболее существенную погрешность многих средств измерений – погрешность от вариации.

 

Структурные методы коррекции статической характеристики (методы коррекции погрешности средств измерений). Перечень их приведен на рисунке 1.12.

 

Метод вспомогательных измерений заключается в автоматизации процесса учета дополнительной погрешности средства измерений по известным функциям влияния ряда влияющих величин. Для этого осуществляется измерение значений этих величин и с помощью вычислительного устройства, построенного с учетом названных функций влияния, автоматически корректируется выходной сигнал средства измерений.

 

Метод обратного преобразования (итерационный метод) базируется на использовании дополнительно в составе средства измерений кроме прямой измерительной цепи (прямого преобразователя), цепи, способной осуществлять обратное преобразование выходного сигнала (обратный преобразователь), имеющей существенно большую точность, чем цепь прямого преобразования. Результат измерения получают путем итераций. В процессе каждой итерации последовательно осуществляются: прямое преобразование измеряемой величины и запоминание результата, обратное преобразование запомненного значения этой величины, прямое преобразование сигнала обратного преобразователя, соответствующего запомненному значению измеряемой величины, и сравнение результатов этих двух преобразований, на основе которого формируется корректирующий сигнал. Обратный преобразователь в данном методе играет роль как бы многозначной меры, по которой корректируется ста­тическая характеристика прямого преобразователя. Метод обратного преобразования позволяет уменьшать в зависимости от используемого алгоритма коррекции аддитивную и мультипликативную погрешности средств измерений.

 

Метод образцовых сигналов (образцовых мер) состоит в определении в каждом цикле измерения реальной функции преобразования средства измерений с помощью образцовых сигналов (мер), т. е. метод состоит в автоматической градуировке средства измерений в каждом цикле. Цикл включает в себя измерение физической величины, поступающей на вход средства измерения, поочередное измерение одной или нескольких мер, подключаемых вместо измеряемой физической величины на вход средства измерений, и решение системы уравнений с помощью вычислительного устройства, из которого определяется значение измеряемой физической величины. В этом решении уже учтены изменения реальной статической характеристики, т. е. данный метод сводится к совокупному измерению. Он позволяет уменьшить аддитивную и мультипликативную погрешность, а также погрешность нелинейности.

 

Тестовый метод сводится к проведению совокупных измерений. В отличие от метода образцовых сигналов в тестовом методе в каждом цикле работы средства измерений кроме измерения физической величины, поступающей на вход средства измерений, осуществляют измерение величин-тестов, каждая из которых фор­мируется из меры и измеряемой величины. Значение измеряемой величины определяется из системы уравнений, решаемой с помощью вычислительного устройства. По существу данный метод является развитием метода образцовых сигналов.

 

Вопрос

Классификация средств измерений

 

Средство измерений

 

техническое средство, предназначенное для измерений (определение по 102-ФЗ от 26.06.2008г.);

 

техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени (определение по РМГ 29-99).

 

 

Классификация средств измерений

 

По техническому назначению:

мера физической величины - cредство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью;

измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне;

измерительный преобразователь - техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи;

измерительная установка (измерительная машина) - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте;

измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях;

измерительно-вычислительный комплекс - функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

 

По степени автоматизации:

автоматические;

автоматизированные;

ручные.

 

По стандартизации средств измерений:

стандартизированные;

нестандартизированные.

 

По положению в поверочной схеме:

эталоны;

рабочие средства измерений.

 

По значимости измеряемой физической величины:

основные средства измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;

вспомогательные средства измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.

 

Вопрос

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины..

 

Физическая величина (краткая форма термина — «величина») применяется для описания материальных систем и объектов (явлений, процессов и т.п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.). Cуществуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Механика базируется на трех основных величинах, теплотехника — на четырех, физика — на семи. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин — длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью которых создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

 

Измеряемые величины имеют качественную и количественную характеристики.

 

Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно международному стандарту ИСО размерность обозначается символом dim. Размерность основных величин — длины, массы и времени — обозначается соответствующими заглавными буквами: dim l = L; dim m = М; dim t = Т.

 

Каждый показатель размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным, нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжений).

 

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

 

Простейший способ получения информации, который позволяет составить некоторое представление о размере измеряемой величины, заключается в сравнении его с другим по принципу «что больше (меньше)?» или «что лучше (хуже)?» При этом число сравниваемых между собой размеров может быть достаточно большим. Расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемых величин образуют шкалы порядка. Операция расстановки размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Для обеспечения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Точкам шкалы могут быть присвоены цифры, часто называемые баллами. Знания, например, оценивают по четырехбалльной реперной шкале, имеющей следующий вид: неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично. По реперным шкалам измеряются твердость минералов, чувствительность пленок и другие величины (интенсивность землетрясений измеряется по двенадцатибалльной шкале, называемой международной сейсмической шкалой).

 

Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов между реперными точками. Например, по шкале твердости, в которой одна крайняя точка соответствует наиболее твердому минералу — алмазу, а другая наиболее мягкому — тальку, нельзя сделать заключение о соотношении эталонных материалов по твердости.

 

Наиболее совершенной является шкала отношений. Примером ее может служить температурная шкала Кельвина. В ней за начало отсчета принят абсолютный нуль температуры, при котором прекращается тепловое движение молекул; более низкой температуры быть не может. Второй реперной точкой служит температура таяния льда. По шкале Цельсия интервал между этими реперами равен 273, 16°С. По шкале отношений можно определить не только, на сколько один размер больше или меньше другого, но и во сколько раз он больше или меньше.

 

 

В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер представляется по-разному. Например, длина перемещения некоторого тела на 1 м может быть представлена как L = 1 м = 100 см = 1000 мм. Отмеченные три варианта являются значениями измеряемой величины — оценками размера величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Входящее в него отвлеченное число называется числовым значением. В приведенном примере это 1, 100, 1000.

 

Вопрос

Принципы построения ГСП

 

 

Принципы построения ГСП - Конспект Лекций, раздел Философия, КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Измеряемые и регулируемые величины В Основе Построения Средств Гсп Лежит Блочно-Модульный Принцип....

 

В основе построения средств ГСП лежит блочно-модульный принцип.

 

Блочно-модульный принцип – это возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа более простых унифицированных блоков и модулей, что позволяет создавать новые средства измерения и автоматизации из уже существующего набора узлов и блоков, что дает существенный экономический эффект. В соответствии с этим принципом можно произвести следующую структуризацию:

 

1) модуль – техническое устройство, реализующее одну элементарную функцию;

 

2) блок – техническое устройство, реализующее строго определенный набор функций и состоящее из нескольких модулей;

 

3) прибор – техническое средство, состоящее из блоков и модулей и имеющее выходной сигнал, пригодный для восприятия человеком.

 

Структура системотехнических основ построения и развития ГСП базируется на следующих принципах и методах:

 

- агрегатирование;

 

- унификация;

 

- минимизация номенклатуры;

 

- формирование гибких, перестраиваемых компонентов системы;

 

- реализация в изделиях рациональных эстетических и эргономических требований.

 

Принцип агрегатирования – наращивание и видоизменение функций отдельных ТС и создание на их основе систем автоматизации, что осуществляется за счет сочленения унифицированных блоков, модулей и комплектных изделий ГСП без внесения дополнительных конструктивных изменений.

 

Принцип агрегатирования применительно к изделиям ГСП определяет построение функционально более сложных устройств из ограниченного набора более простых унифицированных изделий методом их наращивания и стыковки.

 

Агрегатный комплекс (АК) – совокупность ТС, характеризующихся всеми видами совместимости и предназначенных для решения определенных задач автоматического контроля и регулирования.

 

Изделия АК создают на унифицированной конструктивной базе на основе блочно-модульного принципа построения с использованием базовых модулей. Различное сочетание устройств, входящих в АК, позволяет реализовать новые функции.

 

Принцип унификации – различные виды совместимости изделий. Достигается однообразием сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков.

 

Виды совместимости изделий агрегатных комплексов: энергетическая, функциональная, метрологическая, конструктивная, эксплуатационная и информационная.

 

Энергетическая совместимость – использование одного вида энергии носителя сигналов в измерительных устройствах.

 

Функциональная совместимость требует, чтобы средства ГСП были четко определены, разграничены и взаимоувязаны по своим функциям для обеспечения совместной работы.

 

Метрологическая совместимость обеспечивается сопоставимостью метрологических характеристик агрегатных средств, их сохранностью во времени и под действием влияющих величин, возможностью расчетного определения метрологических характеристик всего измерительного тракта по метрологическим характеристикам отдельных функциональных узлов.

 

Метрологические характеристики агрегатных средств нормируются по единому методу, параметры входных и выходных цепей согласуются, чтобы сопряжение агрегатных средств не сопровождалось заметными дополнительными погрешностями.

 

Конструктивная совместимость обеспечивается согласованностью конструктивных параметров, механическим сопряжением средств, согласованностью эстетических требований.

 

Эксплуатационная совместимость достигается согласованностью характеристик, определяющих действие внешних влияющих величин на агрегатные средства в рабочих условиях, а также характеристик надежности и стабильности функционирования. С этой целью все средства делятся на группы по использованию в зависимости от климатических условий и механических воздействий.

 

Информационная совместимость – обеспечивается согласованностью входных и выходных сигналов по виду, диапазону изменения и порядку обмена. Информационная совместимость определяется унификацией сигналов и применением стандартных интерфейсов.

 

Изделия агрегатных комплексов, обладающие указанными видами совместимости, позволяют строить измерительные системы (ИС) методами проектной компоновки. Такой способ построения ИС значительно упрощает и сокращает сроки создания систем.

 

Принцип минимизации номенклатуры изделий ГСП предполагает максимальное удовлетворение потребности в ТС на основе выпуска АК с учетом того, что типоразмеры этих устройств вписываются в организованные определенным образом для них параметрические ряды.

 

Реализация этих принципов позволяет создавать комплексы технических средств, изменять, расширять функции на основе использования унифицированных базовых конструкций (УБК) и типовых модулей ГСП, путем изменения характера их соединения и структурного сочетания.

 

Применение принципа агрегатирования позволяет использовать рациональный минимум конструктивных элементов, обеспечивает взаимозаменяемость приборов в целом и отдельных их узлов, значительно упрощает и удешевляет процессы обслуживания и ремонта приборов, позволяет компоновать различные системы автоматизации с заданными техническими характеристиками, дает возможность совершенствования изделий ГСП, не прибегая при этом к их полному обновлению.

 

Принцип совместимости, реализуемый при построении АК, позволяет создавать техническое обеспечение систем автоматизации всех категорий для различных отраслей промышленности, использовать при этом изделия различных АК.

 

Вопрос

Помехоустойчивость

 

Надежность

 

Избирательность

 

ИзбирательностьИП представляет собой свойство выдавать сигнал на его выходе, пропорциональный содержанию только определяемого компонента в газовой смеси. С повышением требуемой точности измерений газоаналитической аппаратуры и усложнением анализируемых смесей требования к избирательности ИП резко возрастают, поскольку при низкой избирательности в условиях эксплуатации могут возникать значительные дополнительные погрешности и зачастую ставить под сомнение результаты измерений. Избирательность ИП определяется прежде всего методом преобразований, принципом действия и структурной схемой. Удовлетворительные результаты по избирательности имеют ИП, использующие хемилюминесцентный, флуоресцентный, хроматографический, абсорбционный и другие методы преобразований.

 

Надежность - это свойство ИП выполнять заданные функции при сохранении своих эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Надежность ИП зависит от принципиальной схемы, числа и качества элементов, качества применяемых материалов и комплектующих элементов конструкций, технологии и культуры изготовления, вспомогательных устройств, влияния окружающей среды, структурной схемы, программы функционирования и др.

 

Помехоустойчивость - способность ИП сохранять свои характеристики при воздействии различных возмущающих факторов (изменения давления, температуры, влажности, напряжений питания и др.). Условия эксплуатации ИП в настоящее время характеризуются широким диапазоном изменений температуры, давления, влажности, питающих напряжений и т. п.

 

Метрологические характеристики определяют структуру, конструкцию, технологию производства и характер эксплуатации ИП и газоаналитического устройства в целом. К основным метрологическим характеристикам относятся погрешность и диапазон измерений ИП.

 

Под погрешностью ИП подразумевается отклонение выходного сигнала ИП от номинального значения, соответствующего истинному значению входной величины. Погрешности ИП подразделяют на основную и дополнительные, статические и динамические, систематические и случайные.

 

Основная погрешность определяется в нормальных условиях применения ИП, устанавливаемых в технической документации.

 

Дополнительные погрешности возникают при эксплуатации ИП в условиях, отличных от нормальных, при которых осуществляются градуировка и поверка. Подавляющее большинство ИП подвержены влиянию изменений температуры, давления, влажности окружающей среды, параметров питающих напряжений и газовых потоков

 

Статическая погрешность- это погрешность ИП при измерении величины, принимаемой за неизменную.

 

 

Динамическая погрешность возникает дополнительно при измерении переменной величины и обусловлена несоответствием реакции ИП на скорость изменения входного сигнала.

 

Динамические погрешности определяются динамикой процессов в исследуемых газовых смесях, инерционностью чувствительных элементов (фотоприемников и т.п.), динамическими характеристиками измерительных механизмов и промежуточных преобразователей, инерционностью электронных и других схем.

 

Систематическая погрешность- это составляющая погрешности ИП, принимаемая постоянной или закономерно изменяющейся..

 

Случайная погрешность- это составляющая погрешности ИП, изменяющаяся случайным образом.

 

Суммарная погрешность измеренийоценивается как суперпозиция случайной и систематической составляющей.

 

Источниками погрешности измерений являются несовершенство метода измерений, не идеальность изготовления и функционирования ИП, временная нестабильность параметров ИП, отклонение условий измерения от нормальных, неточности градуировочной зависимости, приготовления ПГС, измерения объема пробы, температуры и давления, индивидуальные особенности оператора.

 

Диапазон измерений представляет собой область изменения значений измеряемой величины (содержания измеряемого компонента), для которой нормированы допускаемые пределы погрешности ИП.

 

Отношение верхнего предела диапазона измерений к порогу чувствительности называется полным или динамическим диапазоном ИП.

 

Вопрос

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

 

1. Химико-технологические объекты управления.

 

2. Классификация химико-технологических процессов и производств как технологических объектов управления (ТОУ).

 

3. Типовая схема технологического производства.

 

Химико-технологические объекты управления (ТОУ) - это совокупность совместно функционирующих технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса.

 

К ТОУ относят, как отдельные технологические агрегаты и установки, реализующие локальный технологический процесс, так и целые производства (участки, цехи).

 

Основные требования к ТОУ.

 

· ТОУ должен быть управляем.

 

· Должна быть реализована возможность воздействия на характеристики оборудования.

 

· Число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму.

 

ТОУ классифицируются

 

1. По тоннажу продукции и структуре ассортимента:

 

· Крупнотоннажные ТОУ - ориентированные на продукцию конкретной фиксированной номенклатуры с объемами выпуска: сотни - десятки тысяч тонн.

 

· Малотоннажные ТОУ - ориентированные на выпуск продукции разнообразной и быстро меняющейся номенклатуры, с объемами выпуска: граммы - десятки тонн.

 

2. По характеру временного режима функционирования:

 

· ТОУ периодического действия - ТОУ, в которых аппараты работают в циклическом режиме, а технологические процессы (ТП) представляют собой последовательность технологических и организационных операций, имеющих конечную продолжительность. Термину «периодический процесс», принятому в химической технологии соответствует общесистемный термин «дискретный процесс».

 

· ТОУ непрерывного действия - ТОУ, в которых аппараты работают непрерывно, на вход аппарата непрерывно подается сырье и компоненты, на выходе аппарата непрерывно отводятся продукт, а технологический процесс ведется в установившемся режиме.

 

· ТОУ полунепрерывного действия - ТОУ, в которых аппараты функционируют непрерывно только в пределах интервала времени, необходимого для переработки конечной порции сырья. В этих пределах в аппараты непрерывно подается сырье и компоненты, а с выходов - непрерывно отводятся продукты. Технологические процессы ведутся в установившемся режиме. Между интервалами времени работы аппараты находятся в режиме ожидания.

 

 

3. По степени важности ТОУ в производстве.

 

· Основные ТОУ - ТОУ для реализации основных технологических процессов производства.

 

· Вспомогательные ТОУ.

 

4. По информационной емкости ТОУ:

 

Степень сложности ТОУ характеризуется информационной сложностью объекта, т.е. числом технологических параметров, участвующих в управлении.

 

Таблица 1

 

Классификация ТОУ по информационной емкости. Информационная емкость объекта Число параметров, участв. в управл.

Минимальная 10 - 40

Малая 41 - 160

Средняя 161 - 650

Повышенная 651 - 2500

Высокая 2500 и выше

 

 

5. По характеру параметров управления.

 

· ТОУ с сосредоточенными параметрами - ТОУ, в которых регулируемые параметры (в данный момент времени, в разных точках аппарата), имеют одно значение соответствующего параметра.

 

· ТОУ с распределенными параметрами.

 

6. По типу технологического процесса.

 

· Гидромеханические процессы - процессы, осуществляющие перенос количества движения.

 

· Тепловые процессы - процессы переноса энергии в форме теплоты.

 

· Массообменные процессы - процессы перемещения вещества в пространстве за счет разности концентраций.

 

· Механические процессы - процессы переработки твердых материалов под действием механических сил.

 

· Химические процессы - процессы, характеризующие образование новых, отличающихся от исходных по химическому составу или строению, веществ при сохранении общего числа атомов и изотопного состава.

 

Типовая схема технологического производства.

 

Решение конкретной задачи автоматического регулирования возможно лишь при условии знаний характеристик аппарата, в котором протекает данный технологический процесс.

 

В целом, любой технологический процесс можно представить в следующей логической цепочке состоящей из пяти элементов:

 

Сырье и компоненты (с конкретными характеристиками) подаются в технологический аппарат (со своими характеристиками) в этот аппарат подается при необходимости энергия (со своими характеристиками) следствием являются параметры технологического режима процесса в результате, которого появляется продукт (со своими характеристиками). Это можно назвать правилом «пяти».

 

 

Естественно если хочешь контролировать процесс, то необходимо все знать об этих пяти компонентах технологического процесса– «хочу все знать».

 

Для создания системы управления необходим дополнительный анализ входных факторов влияющих на основные выходные показатели технологического процесса. При этом следует учитывать необходимость стабилизировать или вести по программе основные параметры позволяющие сохранять все виды материальных и энергетических балансов, а также решать задачу максимального учета, стабилизации и компенсации действующих возмущений и выборе основных управляющих воздействий для управления основной целевой функции процесса.

 

Решение главного принципа управления – максимизации эффективности при заданных ресурсах и качестве продукта мы здесь в этой постановке не рассматриваем. Хотя при максимальной стабилизации, в частном случае, задача минимизации затрат энергии должна решаться автоматически.

 

Для анализа входных влияющих и выходных зависимых факторов, в каждом конкретном процессе необходимо рассматривать физико-химические основы исследуемого процесса. В этом нам может помочь аналитическое моделирование.

 

Попытаемся на примерах основных процессов показать эту возможность, причем на первом этапе, для качественного анализа нам не потребуется искать решений анализируемых уравнений.

 

Методика анализа ХТП как ТОУ.

 

1. Определение критерия эффективности ТОУ.

 

· Для производств - это, как правило, экономические критерии максимизации прибыли или минимизации себестоимости продукции.

 

· Для технологических процессов - это технологические критерии максимизации качества или максимизации выхода целевого продукта или также экономический - минимизация энергетических затрат при выпуске заданного объема продукта с заданным качеством.

 

2. Разработка математического описания процесса как объекта управления в статике и динамике.

 

3. Математическое моделирование и исследование статических режимов ТОУ.

 

Исследование статических характеристик ТОУ, на основании которого определяют:

 

· Возможные диапазоны варьирования параметров при управлении;

 

· Возможное число стационарных состояний процесса;

 

· Анализ устойчивости стационарных состояний процесса;

 

· Влияние основных режимных параметров на рабочие области ТОУ;

 

· Исследование нелинейности коэффициентов усиления и возможности линеаризации статических характеристик и т.д.

 

4. Построение информационной схемы ТОУ.

 

Информационная схема ТОУ - это схема, показывающая входные и выходные переменные ОУ и их связи. Построение информационной схемы возможно на основе мат. описания (при разработке новых технологий) или на основе информации по эксплуатации объекта (при модернизации системы управления).

 

5. Анализ информационной схемы.

 

Выполняется анализ информационной схемы на предмет классификации входных и выходных воздействий на следующие группы:

 

· Возмущающие воздействия.

 

· Возможные управляющие воздействия.

 

· Наиболее целесообразные управляемые переменные.

 

· Входные воздействия, которые возможно стабилизировать без установки дополнительного технологического оборудования.

 

6. Математическое описание динамики ТОУ.

 

· Составляется мат. описание динамики объекта по возможным каналам управления.

 

· Выполняется исследование динамики возможных каналов управления.

 

· Выполняется выбор наиболее целесообразных каналов управления.

 

· Составляется структурная схема системы управления.

 

7. Выбор параметров контроля, сигнализации и защиты.

 

 

Вопрос

Общие сведения об автоматическом управлении химико-технологическими процессами

 

1.1. Цель управления химико-технологическим процессом

 

Химико-технологическая система (ХТС) функционирует нормально, если ее режимные параметры (температура, давление, расход, состав и т.п.) не отклоняются существенным образом от расчетных значений. Для обеспечения нормального функционирования технологической системы ею надо управлять.

 

Управление – процесс, обеспечивающий необходимое, в соответствии с целевым назначением, протекание химико-технологического процесса (ХТП) путем изменения материальных и энергетических потоков. Технологический процесс, с точки зрения управления, называется объектом управления.

 

Система управления – это система, объединяющая объект управления и, собственно, управляющую систему.

 

Управляющая система осуществляет сбор информации о состоянии объекта управления, возмущающих воздействий и состояния внешней среды.

 

На основе полученной информации принимаются решения по управлению и вырабатываются управляющие воздействия.

 

1.2. Функциональная структура АСУ ТП

 

В современных производствах задача управления технологическим процессом осуществляется автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП). АСУ ТП – это комплекс, объединяющий технологический процесс, технические средства сбора, обработки, преобразования информации, программного, алгоритмического и математического обеспечения и оперативного персонала.

 

Функциональная структура АСУ ТП представляет собой многоуровневую иерархическую структуру.

 

Рисунок 1

 

Нижний уровень представляет технологический процесс и технические средства получения информации (Д) и реализации управляющих воздействий (ИМ).

 

“Защита” – подсистема комплексных средств автоматической защиты и блокировок.

 

“Стабилизация” – подсистема выработки управляющих сигналов и средств автоматического регулирования технологических параметров.

 

“Оптимизация” – подсистема расчета оптимальных параметров технологического процесса в соответствии с принятыми критерием и целями функционирования технологического процесса.

 

“Идентификация” – подсистема расчета параметров математических моделей технологического процесса.

 

“Координация” – подсистема расчета технико-экономических показателей (ТЭП), ввода в систему директив и указаний руководства предприятия и передача информации в другие системы управления предприятием для общей координации управления предприятием.

 

АСУ ТП – это человеко-машинная система. Функции системы могут быть реализованы в двух режимах ее работы:

 

автоматизированном, в котором осуществляется автоматический сбор и обработка информации и выработка рекомендаций по управлению, а реализация управляющих воздействий осуществляется оператором;

 

автоматическом, в котором выработка и реализация управляющих воздействий осуществляется автоматически управляющими устройствами без участия оператора.

 

Структурная схема взаимодействия оператора и системы управления представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2

 

Здесь:

 

АСР – автоматическая система регулирования,

 

СОИ – система отображения информации,

 

ДУ – органы дистанционного управления.

 

В системе несколько контуров управления:

 

I контур – автоматизированное;

 

I I контур – автоматическое;

 

I I I контур – система, в которой задание изменяет оператор, а управляет технологическим процессом АСР.

 

Таким образом в системах управления происходит переработка информации о состоянии объекта управления, выработка управляющих воздействий и передача ее в виде сигналов от объекта в управляющую систему и от управляющей системы к объекту управления.

 

1.3. Задача анализа и синтеза АСР

 

Технологический процесс как объект управления характеризуется входными и выходными переменными.

 

На структурной схеме объекта управления (рисунок 3) выделяются соответствующие группы переменных.

 

Рисунок 3

 

– вектор входных переменных, характеризует состояние процесса и называют управляемыми (регулируемыми) параметрами. Это такие параметры, как температура, давление, состав, концентрация, расход и т.п.

 

– вектор входных переменных, называемых управляющими (регулирующими) воздействиями. К ним относятся параметры, с помощью которых можно изменять материальные и энергетические потоки, в основном расход, давление, температура и т.п.

 

– вектор входных переменных, называемых возмущающими воздействиями, являющихся внешними воздействиями по отношению к объекту. Это параметры, связанные с изменением режимов работы процесса и внешней среды такие, как изменение расходов, температур, давлений, состава сырья и т.п.

 

Переменные процесса связаны между собой функциональными зависимостями, и рассматриваются их изменения во времени.

 

Соответственно, должна быть решена задача анализа системы, определено состояние объекта как функция регулирования, возмущающих параметров и времени

 

и задачи синтеза, расчета регулирующих воздействий в соответствии с заданным критерием

 

АСР представляет систему, состоящую из последовательно соединенных элементов, выполняющих определенные функции (рисунок 4).

 

Рисунок 4

 

Действительное значение регулируемого параметра (X) с помощью датчика “Д” преобразуется в сигнал (Xg) и поступает на элемент сравнения “ЭС”, на который поступает заданное значение (Xзд) регулируемого параметра. В “ЭС” вырабатывается сигнал рассогласования (DX), поступающий на регулирующее устройство “РУ”, в котором сигнал усиливается и формируется регулирующее воздействие (Xр) в соответствии с принятым законом регулирования. Регулирующее воздействие поступает на исполнительный механизм “ИМ”, который перемещает регулирующий орган “РО”, изменяя, соответственно, расход вещества или энергии так, чтобы привести регулируемый параметр к заданному значению.

 

При анализе АСР принято рассматривать упрощенные блок-схемы, в которых элементы “Д”, “ИМ”, “РО” относят к объекту регулирования (рисунок 5).

 

Рисунок 5

 

Здесь X – регулируемый параметр,

 

Xз – заданное значение регулируемого параметра,

 

Xв – возмущающее воздействие,

 

Xр – регулирующее воздействие.

 

Теоретической базой создания автоматических систем регулирования является теория автоматического управления (ТАУ), которая изучает общие принципы построения автоматических систем и методы их исследования, решает задачу анализа и задачу синтеза.

 

В задачу анализа входит исследование устойчивости и качества работы АСР, в задачу синтеза входит построение схем регулирования, выбор законов управления, расчет параметров отдельных элементов системы.

 

Задачей курса является изучение основ ТАУ ХТП.

 

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.