Классификация средств измерения.
Общие сведения об измерениях.
Измерение – процесс, заключающийся в определении значения физической величины с помощью специальных технических средств.
Результат измерения – некоторое число принятых для данной величины единиц, дающих количественную информацию о свойствах измеряемой физической величины.
Истинное значение – значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношении свойства измеряемого объекта. Истинное значение недостижимо.
Действительное значение – значение определенное экспериментально и настолько приближено к истинному значению, что используется вместо него.
Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено значение единицы. Для измерений необходимо воспроизвести единицу величины, сравнить с измеряемой величиной, зафиксировать результат, оценить погрешность.
2.Сущность и основные характеристики измерений.
Измерением называется нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств – средств измерений.
При измерении физическая величина сравнивается с некоторым ее значением, принятым за единицу. Результат измерения (значение физической величины) представляет собой, как правило, именованное число: числовое значение измеряемой величины и наименование единицы. Например, U=1,5 В, Р=0,27 кВт, F=528 Гц.
Результат измерения обязательно должен сопровождаться данными о погрешности измерения ΔQ. Поскольку погрешность измерения имеет всегда вероятностный смысл, должна быть оценена и вероятность ее появления Р. Поэтому результат измерения должен содержать:
1. числовое значение измеряемой величины,
2. наименование единицы,
3. значение погрешности
4. ее вероятность P.
Например, U=1,15 В, ΔU=±0,05 В, Р=0,95. Погрешностью характеризуется точность измерений: чем меньше погрешность, тем выше точность.
Наука об измерениях называется метрологией. К проблемам метрологии относятся: общая теория измерений, методы и средства измерений, методы определения точности, единицы измерения, эталоны, обеспечение единства измерений.
Объект измерения – это физическая величина, которая подлежит измерению, например частота передатчика, напряжение выпрямителя.
Средства измерений – это технические средства, используемые для целей измерений и имеющие нормированную точность. Средства измерений образуют основу измерительной техники.
Принцип измерений составляет совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.
Метод измерений представляет собой совокупность приемов, принципов и средств измерений, обеспечивающую сравнение измеряемой величины с единицей.
Условия измерений характеризуются наличием влияющих величин. Влияющими величинами могут быть высокие и низкие температуры, вибрации и ускорение, повышенное и пониженное давление, электрические и магнитные поля и т.д. Влияние этих величин на средства измерений должно быть изучено, учтено или исключено.
Человек-оператор – лицо, проводящее измерения (субъект измерения).
Методы и виды измерений.
Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи. В понятие метода измерений входят как теоретическое обоснование принципов измерения, так и разработка приемов применения средств измерения.
Как известно, искомое значение физической величины находится посредством сопоставления ее с мерой, материализующей единицу этой величины. В зависимости от способа применения меры различают методы непосредственной оценки и методы сравнения. При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах. Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, сравнение массы на рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки мера в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отсчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения является наличие сравнивающего устройства.
Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей: нулевой метод, дифференциальный метод, метод замещения и метод совпадений.
Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю.
Рисунок 9 - Методы сравнения
При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывается по шкале прибора.
Метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.
В методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.
Виды измерений:
Измерения традиционно разделяют по многим классификационным признакам. Следует лишь заметить, что подобная классификация должна основываться на рассмотрении структурных элементов измерения в их взаимосвязи. Ниже рассмотрены следующие разновидности классификации по традиционным признакам:
· по измеряемой физической величине ;
· по отношению к изменению измеряемой величины ;
· по количеству элементарных измерительных актов ;
· по выражению результата измерения ;
· по характеру оценивания погрешности ;
· по общим приемам получения результатов измерений и др.
Погрешности измерений.
По способу выражения погрешности делятся на:
– Абсолютные (разность истинного и измеренного значений).
– Относительные (отношение абсолютной погрешности к среднему значению).
– Приведенные (отношение абсолютной погрешности к максимальному значению шкалы прибора. Он же класс точности прибора).
По характеру возникновения: систематические, случайные, промахи.
Систематические – это погрешности, которые отклоняют результат в одну и ту же сторону и на одну величину. Делятся на погрешности с известной природой и величиной, неизвестной природы и известной величины (приборная погрешность) и погрешности о которых не подозревает исследователь.
Промах можно считать случайной погрешностью.
Случайные погрешности.
Возникают из-за влияния внешних факторов на процесс измерения. Отклоняют значение от истинного в обе стороны и на непостоянную величину.
1) Оценка значения 
(истинное значение).
Результаты измерений: 
, 
, 
… 
.
, 
, 
.
При 
и 
.
2) Оценка погрешности.
, где 
– вероятность, 
– плотность распределения.
– распределение Гаусса.
- среднеквадратическое отклонение; 
.
( 
) 
Данный метод действенен для большого числа измерений. Если количество измерений небольшое, то оценивать погрешность методом Гаусса некорректно. В таких случаях используют распределение Стьюдента.
– коэффициент Стьюдента, зависит от 
и 
.
( 
– в зависимости от выбранного доверительного интервала, т.е. , берут из таблицы).
.
Погрешности косвенных измерений.
. Для любого процесса измерения параметры 
совместны и независимы. Есть 
и 
. Тогда 
.
; 
.
. 
, тогда 
.
– полный дифференциал 
.
, ,
, 
– абсолютная погрешность косвенного измерения.
; 
;
, 
– относительная погрешность косвенного измерения.
Классификация средств измерения.
Средства измерения – технические средства, используемые при измерении и имеющие нормированные метрологические свойства.
Средства измерения подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.
Характеристики средств измерения.
Мера – устройство для воспроизведения физической величины заданного размера с определенной точностью. Однозначные меры воспроизводят только одно значение, многозначные – ряд значений.
Измерительные преобразователи – средства измерения для выработки сигнала измеряемой информации в форме, удобной для передачи / обработки / хранения, но не поддающейся восприятию наблюдателя.
Измерительные приборы – для выработки сигнала информации в виде, удобном для восприятия наблюдателя.
Измерительные установки – совокупность средств измерений, функционально соединенных для выработки сигнала в виде, удобном для восприятия.
Измерительные системы – совокупность средств измерения и вспомогательных устройств, связанных каналами связи, предназначены для выработки сигнала, удобного для восприятия / автоматической обработки / использования в АСУ.
6. Химико-технологические объекты управления.
Технический объект управления (ТОУ) – совокупность совместно функционирующего технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса. К ТОУ относят как отдельные технические агрегаты и установки, реализующие локальный технологический процесс, так и целые производства. Требования к ТОУ:
1. Оборудование ТОУ должно быть полностью механизировано и безотказно работать в межремонтный период.
2. ТОУ должен быть разделен на определенные зоны с возможностью воздействия на технологический режим в каждой из этих зон, т.е. с возможностью изменения материальных и энергетических потоков.
3. Возможность воздействия на характеристики оборудования.
4. Возможность доступа обслуживающего персонала к датчикам, исполнительных механизмов и регулирующих органов.
5. Число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму.
Промышленное производство обычно подразделяется на ряд технологических процессов. Под технологическим процессом понимают такую переработку сырья и полуфабрикатов, которая приводит к изменению физических и химических свойств и превращает в готовую продукцию. Технологический процесс – это совокупность технологических операций. Проводимых над исходным сырьем в одном или нескольких аппаратах, целью данных операций является получение продукта заданного качества. Осуществляют тех.процесс в различных аппаратах. Каждый технологический процесс характеризуется определенными технологическими параметрами, которые могут изменяться во времени. В химической промышленности такими параметрами являются расход материальных и энергетических потоков, химический состав, температура, давление, уровень вещества аппаратах и концентрация. Совокупность технологических аппаратов, полностью характеризующих технологический процесс называют технологическим режимом. Любой технологический процесс подвержен действию различных факторов случайных по своей природе. Они называются возмущениями. К ним относят: случайное изменение состава вещества, изменение температуры носителя, изменение характеристик технологического оборудования. Возмущающие воздействия на технологический процесс вызывают изменение технологического режима, что приводит к изменению технико-экономических показателей.
Целенаправленное воздействие на технологический процесс называется процессом управления. Совокупность требований, осуществляемых в процессе управления называются управляющими воздействиями. Сам технологический процесс вместе с технологическим оборудованием, в котором он протекает называется объектом управления, а в совокупности с устройствами необходимыми для осуществления процесса управления, называют системой управления. Процесс управления предусматривает сбор информации о текущем состоянии объекта управления, определение оптимального режима функционирования объекта, вычисление управляющих воздействий и реализует оптимальное управление воздействий.
Управление химическим предприятием посредствам автоматических систем управления (АСУ) осуществляется по иерархическому принципу на трех уровнях:
1-ый уровень АСУП
2-ой уровень АСУТП
3-ий уровень локальные системы САП
САП – периферийные органы управления через которые реализуются решения, принимаемые на более высоких иерархических уровнях.
Типовая схема производства состоит из 5 стадий:
1. Само сырье
2. Подготовка сырья
3. Химический синтез
4. Выделение целевых продуктов
5. Очистка целевых продуктов и выход