Пензенский Государственный Университет Кафедра «Автоматика и телемеханика»

В.П.Арбузов

Измерительные преобразователи систем управления

Конспект лекций

Пенза 2010

3

Введение

Точность систем регулирования и управления, при прочих равных условиях, определяется погрешностью определения как параметров, характеризующих состояние объекта регулирования, так и их отклонение от заданного значения. Функцию определения параметров объекта управления выполняют измерительные преобразователи, осуществляющие преобразование неэлектрических величин в электрические или электрических величин в электрические. Характерной особенностью именно измерительных преобразователей является обеспечение ими преобразования с заданными метрологическими характеристиками.

Стремительное развитие дискретных систем регулирования и значительное расширение параметров регулирования требует более углубленного изучения процессов измерения специалистами по автоматизации и управлению. Проектируя систему в целом, специалист должен иметь представление о процедуре преобразования непрерывных величин в дискретные, о возможных вариантах преобразования неэлектрических величин в электрические и т.д. для того, чтобы выбрать наиболее оптимальное средство восприятия информации о состоянии объекта регулирования и метрологически корректно осуществить преобразование измерительных сигналов.

4

Раздел 1. Основные метрологические понятия, методы измерения и погрешности

1.1. Определение и классификация измерений Метрологией называется наука об измерениях, методах и средствах

обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Измерением называется нахождение значения физической величины

опытным путем с помощью специальных технических средств. Результатом измерения является количественная характеристика физической величины в виде числа единиц измеряемой величины и погрешность, с которой получено данное число.

Физической величиной называется свойство объектов, которое в качественном отношении является общим для многих из них, а в количественном индивидуально для каждого объекта. Индивидуальность в количественном отношении состоит в том, что свойство для одного объекта может быть в несколько раз больше или меньше, чем для другого объекта. Для определения индивидуальности физической величины в количественном отношении используют термин значение физической величины.

Значение физической величины – это оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Например, 1 А, 5 В, 15 Ом. Следует различать истинное и действительное значение физической величины. Точное значение физической величины с погрешностью равной нулю неизвестно. Поэтому и существует термин истинное значение физической величины. Под истинным значением физической величины понимают значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и в количественном отношении соответствующее свойство объекта, т.е. истинное значение – это самое точное значение физической величины, которое можно узнать на современном уровне, например, измерить с дискретностью в один электрон, или рассчитать на молекулярном уровне. Под действительным значением физической величины понимают значение физической величины найденное экспериментальным путем.

5

Кроме того, измеряемые физические величины делятся на аналоговые и дискретные. Аналоговая или непрерывная физическая величина в заданном диапазоне ее изменения имеет бесконечное множество значений, а дискретная величина имеет ограниченное число значений. Она не может отличаться от ближайшей по значению меньше чем на единицу дискретности или ступень квантования.

При электрических измерениях специальными техническими средствами, используемыми для нахождения значения физической величины, являются средства электрических измерений. Средствами электрических измерений

называются технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные погрешности. Различают следующие виды средств электрических измерений:

-меры;

-измерительные преобразователи;

-электроизмерительные приборы;

-электроизмерительные установки;

-измерительные информационные системы.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (значения), например, измерительная катушка индуктивности, резистор, конденсатор. Набор мер представляет собой специально подобранный комплект мер для воспроизведения ряда одноименных величин различного размера (значения), например, магазин сопротивления, емкости, индуктивности, взаимоиндуктивности и т.д. Меры бывают однозначные и многозначные. Однозначные меры воспроизводят физическую величину только одного заданного размера. Многозначные меры воспроизводят физическую величину, алгоритм изменения размера которой определяется алгоритмом процесса измерения.

6

Электроизмерительными приборами называются средства электрических измерений, предназначенные для выработки информации о значении измеряемой величины в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например, вольтметр, амперметр, омметр, фазометр и т.д.

Измерительными преобразователями называются средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи делятся на:

-преобразователи электрических величин в электрические, например, шунты, делители напряжения, трансформаторы напряжения и тока, измерительные усилители, выпрямители;

-преобразователи неэлектрических величин в электрические, (терморезисторы, тензорезисторы, емкостные и индуктивные преобразователи

идр.).

Электроизмерительная установка – это комплекс средств измерений

(мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте и соединенных между собой. При помощи таких установок производятся, например, более точные измерения, испытания магнитных материалов, поверка электроизмерительных приборов и т.д.

Измерительные информационные системы (ИИС) представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. Они предназначены для автоматического получения измерительной информации от ряда ее источников, а также для переработки и обработки информации.

В зависимости от назначения ИИС подразделяют на:

7

-системы сбора измерительной информации от исследуемого объекта;

-системы автоматического контроля, предназначенные для контроля за работой различного рода машин, агрегатов или технологических процессов;

-системы технической диагностики, предназначенные для выявления технической неисправности различных изделий;

-телеизмерительные системы, предназначенные для сбора измерительной информации с удаленных на большее расстояние объектов.

Одной из разновидностей ИИС является измерительно-вычислительный комплекс, отличительной чертой которого является наличие свободно программируемой ЭВМ, которая используется не только для обработки результатов измерения, но и для управления самим процессом измерения, а также для формирования воздействия на объект исследования.

ИИС строятся по агрегатному принципу, согласно которому они создаются из конструктивно законченных и выпускаемых серийно функциональных узлов. Унифицированные функциональные узлы (блоки, модули) из которых строят ИИС, образуют агрегатные комплексы Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). В соответствии с ГСП изделия, входящие в агрегатный комплекс, сопрягаются друг с другом без дополнительных устройств, не оказывают взаимного влияния и имеют одинаковые условия эксплуатации. Различают пять видов совместимости изделий, входящих в ГСП: энергетическая, метрологическая, конструктивная, эксплутационная и информационная.

Виды измерений. В зависимости от способа получения числового значения измеряемой величины измерения делятся на прямые, косвенные и совокупные измерения. Классификация измерений по видам была предложена до создания автоматических измерительных устройств и в настоящее время распространяется обычно только на неавтоматические измерения. В автоматических средствах измерений разделение измерений по видам практически не имеет смысла, т.к. заложенный в них алгоритм работы

8

обеспечивает выполнение всех процедур, необходимых для измерения. В настоящее время разделения измерений по видам необходимо рассматривать как критерий сложности средства измерений.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины получают из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальные операции производятся над самой измеряемой величиной. Числовое значение измеряемой величины получают в экспериментальном сравнении с мерой или по показаниям приборов. Например, измерение тока амперметром, напряжения вольтметром, температуры термометром, массы на весах.

Косвенными называют такие измерения, при которых числовое значение измеряемой величины определяется по известной функциональной зависимости через другие величины, которые можно прямо измерить. При косвенных измерениях числовое значение измеряемой величины получают с участием оператора на основе прямых измерений – решением одного уравнения. К косвенным измерениям прибегают в тех случаях, когда неудобно или невозможно осуществить автоматическое вычисление известной зависимости между одной или несколькими входными величинами и измеряемой величиной. Например, мощность в цепях постоянного тока определяет оператор, умножая напряжение на ток, измеренные прямым измерением с помощью амперметра и вольтметра. А измерение мощности в цепях переменного тока является прямым, т.к. процедура умножения в нем автоматизирована.

Совокупными называют такие измерения, при которых числовое значение одновременно или совокупно измеряемых величин определяют путем решения системы уравнений через другие величины, которые измеряют прямо или косвенно. При совокупных измерениях оператор получает результат на основе косвенных и прямых измерений нескольких величин путем решения системы уравнений. Примером совокупных измерений является измерение температурных коэффициентов сопротивления α , β и сопротивления Rо по известной зависимости сопротивления Rt от температуры.

9