Введение

Управление – это целенаправленное изменение состояния или параметров машины, объекта, системы, процесса в соответствии с требуемым алгоритмом функционирования.

Автоматическое, т.е. без участия человека, управление включает в себя следующие операции:

- измерение параметров процесса (объекта);

- принятие решения (управляющего воздействия) вы-числительной машиной;

- выполнение (реализация) принятого решения испол-нительным механизмом, воздействующим на процесс (объект).

Получение информации о процессе (объекте), т.е. измерение является обязательным и необходимым этапом процесса управления. Поэтому рассмотрим процесс получения и обработки информации более подробно.

Информация (от лат. informatio - разъяснение, изложение) – общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом.

Измерение – это процесс нахождения значения физической величины опытным путём с помощью

специальных технических средств.

Технические измерения – это измерение коли-чественных и качественных характеристик свойств продукции (линейных и угловых размеров, массы, шеро-ховатости и т.п.).

Технологические измерения – измерение режимов, характеристик и параметров технологического процесса (уровня, температуры, давления, расхода, плотности, состава среды и т.п.).

Средство измерения – это техническое средство, применяемое для проведения измерения и имеющее нормированные метрологические характеристики. К средствам измерений относят меры, измерительные приборы и преобразователи, а также состоящие из них измерительные установки и системы.

В общем случае средство измерения имеет следующую структурную схему (рис. 1).

ПИП

ИП

ВП

X Y

Рис. 1. Структурная схема средства измерения

На этом рисунке приведены следующие обозначения и сокращения:

X – входной сигнал (измеряемая величина);

Y – выходной сигнал;

ПИП – первичный измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина;

ИП – измерительный преобразователь, т.е. техни-ческое средство, служащее для преобразования измеряе-мой величины в другую, удобную для передачи, преоб-разования, обработки и хранения;

ВП – вторичный прибор, т.е. техническое средство, допускающее только считывание и запись показаний значений измеряемой величины.

Кроме перечисленных, в автоматике широко используют также следующие понятия – регулирование и контроль.

Регулирование – это автоматическое поддержание постоянства или изменение по заданному закону какого-либо параметра, характеризующего технический объект, процесс.

Контроль – операция, заключающаяся в определении соответствия измеряемых величин допускам, установ-ленным на их значения для обеспечения нормального функционирования технического объекта, процесса.

Метрология (от греч. – измеряю и -логия) – это наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности.

К нормируемым метрологическим характеристикам средств измерений относятся:

- диапазон входных (измеряемых) величин;

- диапазон изменения выходного сигнала, как прави-ло, нормированный;

- статическая характеристика;

- чувствительность;

- погрешность измерения;

- класс точности.

Статическая характеристика – это зависимость выходной величины от входной в статическом режиме измерения, т.е. Y = f(X).

Она может быть задана таблицей, графически и аналитически. Путём аппроксимации (от греч. приближаюсь), т.е. замены одних математи-ческих объектов другими, в том или ином смысле близкими к исходным, можно зависимость, заданную таблично, представить в аналитическом виде. Вид аналитической зависимости определяет сам экспери-ментатор в соответствии с физическим законом, лежащим в основе работы измерительного преобразования. В простейших случаях эта аппроксимация может быть линейной

Y = aX + b (1)

и квадратичной

Y = aX² + bX + c, (2)

где a, b и c – соответствующие коэффициенты.

Чувствительность средства измерения S

S = , (3)

где - Y приращение выходной величины при изменении входной на X.

Абсолютная погрешность измерения X

X = X_изм - X_ист, (4)

где X_изм – результат измерения; X_ист – истинное значение измеряемой величины.

Кроме того, погрешность может быть относительной, приведённой, основной и дополнительной, мультиплика-тивной и аддитивной, статической и динамической и др.

Класс точности средства измерения – максимальная приведённая погрешность измерения, выраженная в процентах и округлённая до ближайшего большего значения из нормального ряда чисел: (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)ⁿ, где n = 1; 0; -1; -2 и т.д.

Класс точности К

К = _{ПР MAX}100 = 100. (5)

По ГОСТ 8.011-72 результаты измерения пред-ставляют в следующем виде:

X =  X …, P, (6)

где X - результат измерения в единицах измеряемой величины; - среднее арифметическое ряда наблюдений; X – основная погрешность измерения (граница доверительного интервала); Р – доверительная вероятность; … - размерность измеряемой величины.
Математическое ожидание (m_x) находят по формуле

= m_x = , (7)

где X_i – результат i-го измерения; N – количество измерений.

Среднее квадратическое отклонение (СКО) характеризует степень рассеяния случайной величины около своего математического ожидания

= = , (8)

где D – дисперсия.

Доверительный интервал – это статистическая оценка параметров вероятностного распределения, имеющего вид интервала, в котором с заданной вероятностью находится искомое значение параметра.

Эта вероятность называется доверительной вероятностью Р.

При ограниченном числе экспериментов (измерений) используют распределение Стьюдента, которое по числу экспериментов (испытаний) N и доверительной вероятности Р позволяет найти коэффициент Стьюдента t_Ст. Тогда

Х =  t_Ст. (9)

Поверка – это операция сравнения показаний средства измерения с образцовым для определения его погрешности или поправки к его показаниям.

1. Цель лабораторной работы

Целью работы является определение метрологических характеристик средств измерений и обработка результатов измерений.

2. Порядок проведения работы

Меры безопасности

Запрещается приступать к работе на лабораторной установке, не изучив настоящие методические указания.

К выполнению лабораторной работы допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе с электрическими приборами.

Задание 1

Построить статическую характеристику средства измерения.

Выполнение опыта

Снимите значения выходного сигнала в зависимости от входного. Затем получите значения выходного сигнала, двигаясь в обратную сторону. Повторите опыт ещё раз.

Задание 2

Определить доверительный интервал и доверительную вероятность результатов измерений.

Выполнение опыта

Получите массив данных выходного сигнала Y в одной точке диапазона измерения. Для этого проведите 25 измерений выходного сигнала, приближаясь к заданной величине со стороны больших и меньших значений входного сигнала.

Задание 3

Обработать результаты измерений.

Выполнение опыта

Используя программу АСК (разработчик Е.Г. Куприн), получите значения линейной (коэффициенты a, b) и квадратичной (коэффициенты a, b и c) аппроксимации, а также ошибки аппроксимации , . Вычислите абсолютную, относительную и приведённую погреш-ности средства измерения, а также определите его класс точности.

Введите массив данных, снятых в одной точке диапазона измерения, получите и запишите значения математического ожидания и СКО для трёх, пяти, десяти, пятнадцати, двадцати и двадцати пяти измерений.
По заданной преподавателем доверительной вероятности Р и числу измерений N найдите коэффициент Стьюдента t_Ст, а затем границу доверительного интервала Х.

Сделайте вывод о метрологической пригодности поверяемого средства измерения.

3. Типовые средства измерения

Рассмотрим типовые средства измерения параметров технологического процесса, которые позволяют измерить температуру, давление, перепад давлений, расход жидкости или газа, уровень и т.д.

1. Магнитоэлектрический логометр

Логометр Л-64 представляет собой показывающий вторичный прибор магнитоэлектрической системы со скрещёнными рамками, который предназначен для измерения температуры в комплекте с термометром сопротивления в диапазоне от – 50 до + 50 ^оС.

Измерительная схема прибора - это электрический неравновесный мост, в котором термометр сопротивления включён в одно из плеч моста, что повышает чувствительность прибора и позволяет осуществлять автоматическую температурную компенсацию погреш-ности самого прибора.