CC BY
143
УДК 621.317
Д. А. Аржаев, О. Н. Бодин, В. Г. Полосин, Д. И. Нефедьев, А. Г. Убиенных
СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ
D. A. Arzhaev, О. N. Bodin, V. G. Polosin, D. I. Nefed'ev, A. G. Ubiennykh
STRUCTURAL DIAGRAM OF THE MEASURING DEVICE MONITORING AND CONTROL SYSTEMS
Аннотация. Актуальность и цели. Развитие устройств измерительной техники предоставляет новые возможности для разработки современных систем контроля и управления. В свою очередь качество системы зависит от достоверности результатов, полученных от измерительного средства. Цель работы состоит в разработке структурных моделей измерительных устройств, которые позволяют улучшить качество контроля и управления всего технологического процесса. Материалы и методы. Для проектирования технических систем широко используются методы структурного анализа объекта контроля. В этих случаях для построения систем удобна структурная форма представления методов измерения. В работе все алгоритмы и методы измерения даны в соответствии с рекомендациями «РМГ29-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения». Результаты. Проведен обзорный анализ структурных схем измерительных устройств, применяемых при построении систем контроля и управления объектом в различных областях научной и производственной деятельности. В частности, приведены наиболее распространенные методы измерений, их классификация и особенности. Описаны алгоритмы методов измерения, приведены примеры и расчетные формулы. Дано понятие меры, обоснована ее необходимость при организации процесса измерения. Выводы. Сравнительный анализ структурных схем методов измерения определяет получение достоверной информации от контролируемого объекта при минимальных энергетических и экономических затратах. За счет выбора наиболее подходящего метода измерения гарантируется точность контроля и управления при низкой себестоимости устройств измерения.
Abstract. Background. Development of devices of measurement technology provides new opportunities for the development of modern control systems. Quality of system in turn depends on the reliability of the results obtained by the measuring means. The purpose of work is to develop structural models of measuring devices, which allow to improve the quality control and management of the entire process. Materials and methods. For the design of technical systems are widely used methods for the structural analysis of the control object. In these cases, the system is useful for constructing a structural presentation of measurement methods. All the algorithms and methods of measurement are given in accordance with the "RMG29-2013 recommendations. State system for ensuring the uniformity of measurements. Metrology. Basic terms and definitions. Results. The article provides an overview analysis of the structural diagram of the measuring devices used in building control and management systems in a variety of subject areas of research and production activities. In particular, there are the most common
methods of measurement, classification and features. In the paper we discusses the algorithms of measurement methods, and examples are given formula. Given the concept of the measures justified the need for the organization of its measurement process. Conclusions. Comparative analysis of structural schemes of measurement methods determines obtain reliable information from the controlled object with minimum energy and economic costs. Due to the choice of the most appropriate method of measurement is guaranteed by control and steering precision at a low cost measurement devices.
Ключевые слова: система контроля, измерительные устройства, структурные схемы, методы измерения, качество контроля.
Key words: control system, measuring devices, block diagrams, measurement methods, quality of control.
Измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. Технический аспект измерений состоит в том, что без количественной информации об объекте наблюдения, управления или контроля невозможно точное воспроизведение всех заданных условий технического процесса, обеспечение высокого качества изделий и эффективного управления объектом. Для проведения измерения предварительно изучается заданное свойство объекта измерения, строятся абстрактные модели свойства и его носителя. Достоверность результатов, получаемых в ходе процесса измерений, при наблюдении или контроле любого физического объекта обусловлена методом получения оценок величин для комплекса его наиболее важных свойств, отраженных в модели его внутренней структуры.
В соответствие с РМГ под измерением физической величины понимают совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины [1].
По своей сути измерение физической величины заключается в количественном определении величины экспериментальным путем с помощью технических средств, с одной стороны, и в сравнении ее с однородной величиной, принятой за единицу измерения, - с другой.
Любой процесс измерения предполагает применение средства измерения, т.е. технического средства, предназначенного для проведения измерений и имеющего нормированные метрологические характеристики. Средство измерения позволяет воспроизводить и (или) хранить единицу физической величины, размер которой неизменен (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
В данной работе рассмотрены алгоритмы измеренных устройств, применяемых в системах контроля и управления в соответствии с существующей классификацией измерительных процессов.
В зависимости от совокупности приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей все методы делят на метод непосредственной оценки и методы сравнения.
Метод непосредственной оценки - это метод измерений, при котором значение измеряемой величины хи определяют непосредственно по показывающему устройству средства измерения, заранее градуированного в единицах измеряемой физической величины [1].
Структурная схема (рис. 1) иллюстрирует наиболее общую модель измерения, проводимого по методу непосредственной оценки [2].
Методы измерения
Показывающее * (регистрирующее) устройство
Отсчет значения результата измерения
Исследуемый х,
и
Средство у,
Ы
объект
измерения
Рис. 1. Структурная схема реализации метода непосредственной оценки измеряемой величины х,
Измерительное устройство, реализованное по методу непосредственной оценки, не содержит в своем составе меры измеряемой величины и выступает в качестве технического устройства с нормированными метрологическими характеристиками и служит для преобразования измеряемой величины хи в другую неоднородную, удобную для восприятия и регистрации величину у, каждому значению {у} которой сопоставлено значение величины результата измерения {хр}. Формула результата измерения методом непосредственной оценки имеет вид
X р = {х р }[ х],
(1)
где { хр } - значение величины результата измерения, отсчитанное непосредственно по показаниям измерительного прибора; [х] - единица измерения физической величины.
Достаточно большую группу составляют методы сравнения с мерой, т.е. методы измерений, в которых измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой -средством измерения, предназначенным для воспроизведения и хранения физической величины заданного размера [1]. Структурная схема наиболее общего средства измерения, реализующего метод сравнения с мерой, показан на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема реализации метода сравнения с мерой
Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения и необходимость применения специальных средств сравнения, под которыми понимают технические устройства или специально создаваемые среды, позволяющие выполнять сравнение измеряемой величины с однородной ей мерой. Наиболее часто для сравнения величины меры хм и однородной измеряемой величины хи используют компаратор, который делает доступным для непосредственного наблюдения разность меры и истинной величины [3]:
Ах' = Хм - Хи . (2)
Принципиальные различия между двумя основными методами измерений заключаются в том, что метод непосредственной оценки реализуется с помощью приборов и не требует дополнительного применения мер, размерность которых совпадает с размерностью измеряемой величины, в то время как методы сравнения с мерой предусматривают обязательное использование меры искомой физической величины в процессе ее измерения. Здесь следует подчеркнуть, что процесс сравнения с мерой в неявном виде присутствует также и в случае измерения методом непосредственной оценки, при котором процессу сравнения с мерой ум подлежит величина у, однозначно сопоставленная измеряемой величине х.
Метод сравнения имеет следующие модификации: нулевой метод, метод замещения, метод дополнения, дифференциальный метод, метод совпадения.
Нулевой метод измерений - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия разности Ах' измеряемой величины хи и меры хм на прибор сравнения доводят до нуля. При этом результат измерения соответствует установленному при уравновешивании значению величины меры сравнения, называемой компенсирующей или уравновешивающей величиной [4]:
Хр = {Хм } • [х]. (3)
На рис. 3 дана структурная схема, поясняющая сущность нулевого метода [2]. Характерной для рассматриваемого метода является возможность управлять величиной меры.
Рис. 3. Структурная схема реализации нулевого метода измерения
При достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, к примеру тока или напряжения на участке цепи, что может быть зафиксировано при помощи специальных приборов: нуль-индикаторов, - играющих роль компаратора. Примером применения нулевого метода является измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
Вследствие высокой чувствительности компараторов и возможности выполнения мер с большой точностью нулевой метод позволяет реализовать большую точность измерения [5].
Метод измерений замещением - разновидность метода сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Замещение может быть полным или неполным, в зависимости от чего говорят о методе полного или неполного замещения (рис. 4) [1, 6].
Рис. 4. Структурная схема реализации метода измерения замещением
При полном замещении показания средства измерения не меняются, и результат измерения принимается равным значению меры:
хр Хм
(4)
Метод полного замещения возможен только в случае, если при измерении допустимо управление мерой.
При измерении методом замещения на одном и том же средстве измерения последовательно проводят два измерения: меры хм и искомой хи величин. Средство измерения (прибор, измерительный преобразователь или измерительная цепь) сопоставляет значению измеряемой величины хи и значению меры хм соответствующие однородные или неоднородные величины уи и ум согласно некоторой функции преобразования у = Дх). Значение величины уи сохраняется с помощью регистрирующего устройства и впоследствии используется для вычисления разницы значений Ду сопоставляемой разнице Ах измеряемой величины хи и меры хм с помощью соотношения
Дх = -
1
5 (х)
•Ду,
где 5(х) - чувствительность средства измерения для измеряемого значения х,
# (х)
5 (х) = -
ёх
В случае полного замещения разница Ау путем изменения меры доводится до нуля. В этом случае в качестве средства сравнения могут быть использованы технические устройства с нелинейными характеристиками или индикаторы, которые указывают на наличие разницы между значениями результата измерения и меры.
Метод измерений дополнением (метод дополнения) - метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению [1]. В случае дополнения измеряемой величины хи величиной хЕ до достижения меры опорной величины хМ определяется разность
Ах' = (хи + хЕ) - х
м >
(6)
и дополнение прекращается при достижении разности Ах' равной нулю: Ах' = 0. Структурная схема, иллюстрирующая техническую реализацию метода дополнения, показана на рис. 5 [7].
Рис. 5. Структурная схема реализации метода измерения дополнением
Так как в результате измерения известны значение меры опорной величины хМ и значение величины дополнения хЕ, то значение результата измерения хр принимают равной:
хр = хМ - хЕ . (7)
Характерной особенностью метода является постоянство чувствительности вследствие того, что измеряемая величина алгебраически дополняется однородной ей величиной до уравновешивания с однородной величиной.
Метод дополнений широко используется в практике измерения различных физических величин. При проведении измерений методом дополнений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.
Дифференциальный метод измерений - метод измерений, при котором измеряемая величина хи сравнивается с однородной величиной хм, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины [1]:
Ах' = хи - хм « хи . (8)
О значении измеряемой величины в результате сравнения судят по разности Ах' одновременно производимых этими величинами эффектов и по известной величине воспроизводимой меры хм. Выходной величиной является разность между измеряемой величиной и величиной сравнения, оцениваемой с помощью средства непосредственной оценки. В качестве результата измерения хр принимается величина, равная сумме известной с высокой точностью меры хм и измеренной с невысокой точностью с помощью средства непосредственной оценки разницы А х', значение которой много меньше значения измеряемой величины хи. Формула расчета результата измерений дифференциальным методом имеет вид
хр = хм + Ах'. (9)
Пример структурной схемы, поясняющей сущность дифференциального метода в соответствии с формулой (9), дан на рис. 6.
А Исследуемый объект Средство сравнения В Ах' Средство непосредственной оценки Отсчет измеренного значения
Т -*-м {Лхр}|У|
______________ Мера
Рис. 6. Структурная схема реализации дифференциального метода измерения
Измерения - один из важнейших путей познания природы человеком. Огромное количество измерений, проводимых в современной промышленности и науке, содержит ограниченное количество алгоритмов измерительных процессов. Предложенные алгоритмы позволяют производить быструю организацию измерительных процессов, результаты которых используются для обеспечения надлежащего качества и технического уровня выпускаемой продукции, обеспечения безопасной и безаварийной работы транспорта, для медицинских и экологических диагнозов и других важных целей.
Для получения измерений задействованы многие миллионы человек и большие финансовые средства. Примерно 15 % общественного труда затрачивается на проведение измерений. По оценкам экспертов, от 3 до 6 % валового национального продукта передовых индустриальных стран тратится на измерения и связанные с ними операции.
Диапазон измеряемых величин и их количество постоянно растут. Сейчас длина измеряется от 10- до 10 м, температура - от 0,5 до 10 000 К, электрическое сопротивление -от 10-6 до 1017 Ом, сила электрического тока - от 10-16 до 104 А, мощность - от 10-15 до 109 Вт. С ростом диапазона измеряемых величин возрастает и сложность измерений. Предложенные алгоритмы позволяют упростить планирование и организацию оборудования для проведения измерительного процесса при необходимой точности с минимальной затратой финансовых и физических ресурсов.
Измерения важны также вследствие их значимости. Достоверная исходная информация, которая может быть получена лишь путем измерения требуемых физических величин, параметров и показателей - основа любой формы управления, анализа, прогнозирования, планирования, контроля или регулирования. Современные наука и техника позволяют выполнять многочисленные и точные измерения, однако затраты на них становятся соизмеримыми с затратами на исполнительные операции. Высокая и гарантированная точность результатов измерений обеспечивает правильность принимаемых решений.
Список литературы
1. РМГ 29-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. - М. : Изд-во стандартов, 2014. - 60 с.
2. Атамалян, Э. Г. Приборы и методы измерений электрических величин / Э. Г. Атамалян. -М. : Высшая школа, 2005. - 415 с.
3. Розенберг, В. Я. Введение в теорию точности измерительных систем / В. Я. Розенберг. -М. : Советское радио, 1975. - 305 с.
4. Электрические измерения / Л. И. Байда, Н. С. Добротворский, Е. М. Душин и др. ; под ред. А. В. Фремке и Е. М. Душина. - Л. : Энергия., Ленингр. отделение, 1987. - 320 с.
5. ГОСТ З ИСО 5725-1-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерения. 4.1. Основные положения и определения. - М. : Изд-во стандартов, 2002.
6. Спектор, С. А. Электрические измерения физических величин: методы измерений / С. А. Спектор. - Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1987. - 320 с.
7. Харт, Х. Введение в измерительную технику : пер. с нем. / Х. Харт. - М. : Мир, 1999. -390 с.
Аржаев Дмитрий Алексеевич
аспирант,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, Красная, 40) E-mail: iit@pnzgu.ru
Бодин Олег Николаевич
доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: bodin_o@inbox.ru
Полосин Виталий Германович
кандидат технических наук, докторант, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: iit@pnzgu.ru
Нефедьев Дмитрий Иванович
доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники и метрологии,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: iit@pnzgu.ru
Убиенных Анатолий Геннадьевич
старший преподаватель, кафедра информационно-вычислительных систем, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: utolg@.mail.ru
Arzhaev Dmitriy Alekseevich
postgraduate student,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Bodin OlegNikolaevich
doctor oftechnical sciences, professor,
sub-department of information
and measuring equipment and metrology,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Polosin Vitaliy Germanovich
candidate of technical sciences, doctoral student,
sub-department of information
and measuring equipment and metrology,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Nefed'ev Dmitriy Ivanovich
doctor of technical sciences, associate professor,
head of sub-department
of information and measuring equipment
and metrology,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Ubiennykh Anatoliy Gennad'evich
senior lecturer,
sub-department of information and computing systems, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 621.317
Структурные схемы измерительных устройств систем контроля и управления /
Д. А. Аржаев, О. Н. Бодин, В. Г. Полосин, Д. И. Нефедьев, А. Г. Убиенных // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 1 (15). - С. 24-30.
