Ii . Метрологические основы измерений

1. Основные понятия

Управление технологическими процессами, как из­вестно, невозможно без измерения технологических параметров. Измерительное устройство является обяза­тельным элементом любой АСР: в АСР по отклонению измеряется регулируемый параметр, в АСР по возмуще­нию - параметр возмущения, в комбинированной АСР - то и другое одновременно. Измерения технологических параметров необходимы не только для работы АСР, но и для контроля технологичес кою режима оператором, а также для управления на более высоких иерархиче­ских уровнях. Наука об измерениях называется метрологией.

Для измерения различных параметров пользуются единицами физических величин, совокупность которых образует систему единиц. В системе различают основ­ные и производные единицы. Основные - это еди­ницы, на основе которых построена данная система. Все остальные единицы выражаются через физические закономерности между основными единицами и являют­ся производными.

В настоящее время в СССР принята Международная система единиц СИ. Основные в этой системе единицы: длины - метр (м), массы - килограмм (кг), времени - секунда (с), силы тока - ампер (А), температуры - кельвин (К) и силы света - кандела (кд). В химической технологии употребляются следующие производные единицы системы СИ; силы - ньютон (Н), давления - паскаль (Па или Н/м²), объема – m², объемного расхода - м³/с, массового расхода - кг/с, количества тепла - джоуль (Дж). Кроме того, до 1 января 1980 г. к при­менению допускались внесистемные единицы: давле­ния - техническая атмосфера (атм) и миллиметр ртут­ного или водяного столба (мм рт. ст. или мм вод. ст.), количества тепла - калория (кал) и килокалория (ккал) и др. Измерить физическую величину - значит сравнить ее с соответствующей единицей измерения. Нахождение ве­личины параметра опытным путем с помощью специаль­ных технических средств называется измерением.

Измерения, при которых величина измеряемого па­раметра определяется непосредственно по показаниям прибора, являются прямыми. Это, например, измерения напряжения - вольтметром, сопротивления - омметром, массы тела - рычажными весами с гирями, температу­ры - термометром, давления - манометром, электричес­кой энергии - электросчетчиком и т. п. Иногда прямые измерения невозможны или затруд­нительны. В таких случаях значение измеряемого пара­метра может быть найдено путем прямых измерений других параметров, связанных с измеряемым известной зависимостью. Это измерения косвенные.

Например, сопротивление электрического нагревате­ля в рабочем состоянии (при прохождении через него тока) невозможно измерить омметром. Однако его мож­но вычислить по закону Ома, измерив для этого падение напряжения на нем вольтметром, а ток через него - ам­перметром. Это пример косвенного измерения сопротив­ления путем прямых измерений напряжения и тока.

Совокупность технических средств, с помощью кото­рых осуществляется процесс измерения, называется измерительной цепью. Так, при измерении напряже­ния вольтметр представляет собой измерительную цепь. При взвешивании тела на рычажных весах измеритель­ная цепь состоит из весов и набора гирь.

Любой измеряемый параметр можно рассматривать как выходной сигнал объекта измерения. Так, в рассмотренных примерах объектами измерения были источник с выходным сигналом - напряжением и взве­шиваемое тело с выходным сигналом массой этого тела. При измерении уровня жидкости в емкости объект измерения сама емкость с запасом жидкости, а выход­ной сигнал - уровень этой жидкости. Измеряемый параметр можно рассматривать как входной сигнал измерительной цепи, а результат измере­ния - как ее выходной сигнал. Например, положение стрелки на шкале вольтметра, масса гирь, уравновеши­вающих взвешиваемое тело на рычажных весах, график, вычерчиваемый самопишущим измерительным устрой­ством на диаграммной ленте, цифры на счетчике элект­роэнергии - все это выходные сигналы измерительных цепей. Эти выходные сигналы доступны для наблюдения.

Положение поплавка в АСР уровня в емкости также является примером выходного сигнала измерительной цепи (измерительного устройства в указанной АСР). Та­кой выходной сигнал неудобен для наблюдения, но этого и не требуется, так как его вид определяется конструк­цией и принципом действия элементов АСР. В заключение можно сделать вывод, что измерение есть, по существу, преобразование измеряемого парамет­ра в сигнал, удобный для наблюдения или для дальней­шего преобразования в АСР. Это преобразование изме­ряемого сигнала осуществляется измерительной цепью. Таким образом, измерительная цепь представляет собой устройство или совокупность устройств, преобразую­щих измеряемый сигнал в результат измерения.