Справочник инженера по контрольно-измерительным приборам и автоматике

А. В. Калиниченко, Н. В. Уваров, В. В. Дойников




СПРАВОЧНИК ИНЖЕНЕРА

ПО КОНТРОЛЬНОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ

ПРИБОРАМ И АВТОМАТИКЕ




Учебное пособие



5-е издание













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2024

УДК 681.2+681.5
ББК34.9я2
    К17




Рецензенты: доктортехнических наук, профессор кафедры телекоммуникаций и радиотехники МИРЭА - Российского технологического университета, заслуженный работник высшей школы РФ Битюков В. К.; заведующий кафедрой управляющих и вычислительных систем Вологодского государственного университета кандидат технических наук, профессор Водовозов А. М.







     Калиниченко, А. В.
К17 Справочник инженера по контрольно-измерительным приборам и автоматике : учебное пособие / А. В. Калиниченко, Н. В. Уваров, В. В. Дойников. - 5-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 580 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-1794-5

        Предложены материалы, необходимые для обучения персонала КИПиА (история КИПиА, термины и определения, принципы действия простейших КИПиА), а также справочные данные, методики ремонта, настройки и эксплуатации контрольно-измерительных приборов и сопутствующие справочные данные, применяемые для расчета и выбора контрольно-измерительного прибора.
        Для инженеров по эксплуатации и ремонту контрольно-измерительных приборов, руководителей служб КИПиА, мастеров, слесарей по КИПиА, прибористов, а также студентов и аспирантов, обучающихся по соответствующим специальностям.


УДК 681.2+681.5
ББК 34.9я2


Приложения к книге доступны для скачивания на сайте издательства «Инфра-Инженерия» www.infra-e.ru Пароль: 978-5-9729-1794-5



ISBN 978-5-9729-1794-5   © Калиниченко А. В., Уваров Н. В., Дойников В. В., 2024
                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024

ВВЕДЕНИЕ







ВВЕДЕНИЕ

      КИПиА (контрольно-измерительные приборы и автоматика) присутствуют в любой современной электротехнике и любом промышленном оборудовании.
      Еще в недалеком прошлом КИПиА представляли собой громоздкие системы, работающие с большой погрешностью измерений, но даже они в свое время были основой контроля производственных процессов.
      Сегодня КИПиА - это компактные устройства с высокой производительностью и точностью измерений.
      У неспециалистов обычно возникает вопрос: как связаны контрольно-измерительные приборы с автоматикой? Эти два понятия, а точнее сказать, две системы были объединены в один термин потому, что в современных технологиях нельзя использовать одну систему отдельно от другой. КИП всего лишь измеряют параметры сред (жидкости, газа, электричества и т. д.) и контролируют достижение ими заданного предела. В свою очередь, обрабатывается информация с датчиков автоматикой. Именно она «решает», что делать, если измеряемый параметр стал выше или ниже нормы. Именно через автоматику подается сигнал на сервоприводы, выключатели и другие блокирующие устройства. Проще говоря, КИПиА - это система, от которой зависит корректная работа любого оборудования в рамках технологического процесса.
      В любом бытовом электрооборудовании установлены приборы, измеряющие тот или иной параметр, контролирующие его и при необходимости изменяющие. Например, контролируется температура горячей воды -особенно это актуально для системы отопления (котлов, радиаторов). Есть приборы, в которых контролируется температура воздуха - кондиционеры, конвекторы. Или приборы, в которых необходим контроль электрических показателей (напряжения и силы тока) - к ним относятся утюги, электроплиты, масляные отопительные радиаторы и так далее.
      Комплексные автоматические системы состоят в основном из микроконтроллерных схем. Они, в свою очередь, пришли на смену управляющим блокам, в составе которых были схемы с малой интеграцией. Комплексные автоматические системы сегодня позволяют автоматизировать любой технологический процесс.
      КИПиА классифицируются по нескольким параметрам, основные из которых - это физико-технические характеристики приборов и качественно-количественные показатели сред. То есть измеряются влажность, температура, расход, давление и прочее.
      Наиболее распространенные типы контрольно-измерительных приборов:

3

Справочник инженера по контрольно-измерительным приборам и автоматике

       - термометры;
       - манометры;
       - расходомеры;
       - газоанализаторы;
       - уровнемеры.
       Средства измерения можно классифицировать в зависимости от измеряемых ими характеристик, к которым относятся:
       - свойства излучения;
       - масса, твердость, плотность материала;
       - параметры звука;
       - параметры электричества и электромагнетизма;
       - физико-химический состав материала и его свойства.
       Как и любой механизм или электрическая схема, приборы и системы КИПиА выходят из строя или изнашиваются, что приводит к искажению измеряемых показателей. А значит, прибор необходимо или заменить новым, или отремонтировать на месте. Поэтому на вопрос, чем занимаются инженеры и слесари КИПиА, можно ответить так: они следят за исправностью измерительных приборов и автоматики. Ведь именно от их четкой и стабильной работы зависит весь технологический процесс, а также безопасность обслуживающего персонала. На больших предприятиях организуются специальные отделы и бригады из специалистов. К примеру, один слесарь должен заниматься только расходомерами сыпучих и жидкостных материалов, другой - счетчиками контроля электроэнергии и похожих приборов.
       Цель настоящей книги — дать учащимся основные знания по КИПиА в полном объеме для обеспечения дальнейшего повышения их производственной квалификации . Справочник можно использовать и как настольную книгу для инженеров КИПиА, так как справочные данные и нормативная документация зачастую используются в повседневной работе.

4

Глава I. Из истории измерений

ГЛАВА I.




                ИЗ ИСТОРИИ ИЗМЕРЕНИЙ




                              Наука начинается там, где начинаются измерения.
Менделеев

                  Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить.
Вильям Томсон

     Измерения служат для познания природы: точность измерений - это путь к открытиям, хранению и применению точных значений.
     Измерять начали с давних пор. И с каждым годом роль и значение измерений повышались. Человечество далеко ушло в технике измерения. Пользуясь современными методами, ученые точно измеряют свойства вещей и явлений. Эти измерения являются одним из средств овладевания природой, подчинения ее нашим нуждам.
     Старые средства измерений (палка, тень, чашка, камень) заменились новыми, позволяющими нам воспринимать невидимый свет, ощущать магнитные силы и другие явления, которые иначе были бы нам неизвестны.


            1.1. МЕТРОЛОГИЯ


            1.1.1. Метрология как наука об измерениях


     Метрология - это наука об измерениях и методах обеспечения их единства.
     Метрология изучает широкий круг вопросов, связанных как с теоретическими проблемами, так и с задачами практики. К


5

Справочник инженера по контрольно-измерительным приборам и автоматике

   их числу относятся: общая теория измерений, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений, методы определения точности измерений, основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений, эталоны и образцовые средства измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерения. Большое значение имеет изучение метрологических характеристик средств измерений, влияющих на результаты и погрешности измерений.

     Методы измерений
     Метод измерений - это совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Все без исключения методы измерения являются разновидностями одного единственного метода - метода сравнения с мерой, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (однозначной или многозначной). Различают следующие разновидности этого метода: метод непосредственной оценки (значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству многозначной меры, на которую непосредственно действует сигнал измерительной информации, например, измерение электрического напряжения вольтметром); метод противопоставления (измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения - компаратор, например, равноплечие весы); дифференциальный метод (сравнение меры длины с образцовой на компараторе); нулевой метод (результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения равен нулю); метод замещения - измеряемую величину заменяют известной величиной, воспроизводимой мерой (взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну чашу весов); метод совпадений - разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение меток шкал или периодических сигналов (измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом).

     Методы измерений в зависимости от способа получения результата
     Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.


6

Глава I. Из истории измерений

     Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят по известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (нахождение плотности по массе и размерам).
     Совокупные измерения - производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят из системы уравнений, получаемых при прямых измерениях (нахождение массы гири в наборе по известной массе одной из них и по результатам сравнения масс различных сочетаний гирь).
     Совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или более неодноименных величин для выявления зависимости между ними.


     Единица физической величины
     Единица физической величины - физическая величина (ФВ) фиксированного размера, которой условно присвоено значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных физических величин. Различают основные, производные, кратные, дольные, когерентные, системные, внесистемные единицы. Производная единица - единица производной ФВ системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными. Производная единица называется когерентной, если в этом уравнении числовой коэффициент равен единице.

     Международная система СИ
     Включает в себя следующие величины:
     - длина (метр);
     - масса (килограмм);
     - время (секунда);
     - сила тока (ампер);
     - температура (кельвин);
     - сила света (кандела);
     - количество вещества (моль).

     Погрешности измерений - отклонения результатов измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешности неизбежны, выявить истинное значение невозможно.


7

Справочник инженера по контрольно-измерительным приборам и автоматике

     По числовой форме представления:
     1. Абсолютная погрешность
     (А=Ад-Аизм (действительная минус измеренная).
     2. Относительные погрешности:
     - относительная действительная;
     - относительная измеренная;
     - относительная приведенная;
     - Лтах - максимальное значение шкалы прибора.

     По характеру проявления:
     - систематические (могут быть исключены из результатов);
     - случайные;
     -    грубые или промахи (как правило, не включаются в результаты измерений).

     Классификация погрешностей в зависимости от эксплуатации приборов
     Основная - это погрешность средства измерения при нормальных условиях.
     Дополнительная погрешность - это составляющая погрешности средства измерения, дополнительно возникающая из-за отклонения какой-либо из влияющих величин или неинформативных параметров от нормативного значения или выхода за пределы нормальной области значений. Дополнительных погрешностей столько, сколько функций влияния или неинформативных параметров.

     Измерительные преобразователи, измерительные приборы
     Измерительные преобразователи (ПР) - техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, индикации или передачи и имеющее нормированные метрологические характеристики. Различают: первичные ПР - первые в измерительной цепи, к которым подведена измеряемая величина; промежуточные; передающие; масштабные. Конструктивно обособленные ПР называют также датчиком.
     Измерительный прибор (ИП) - наиболее распространенное СИ, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, доступной для восприятия наблюдателем (опе


8

Глава I. Из истории измерений

   ратором). Имеют в своем составе меру. Различают ИП аналоговые, цифровые, показывающие, регистрирующие самопишущие, печатающие, интегрирующие, суммирующие, сравнения. СИ могут быть функционально объединены в измерительные установки. Если в них включены образцовые СИ, их называют поверочными установками. Если СИ соединяются между собой каналами связи и предназначаются для выработки измерительной информации в форме, доступной для восприятия, обработки и передачи, такую совокупность называют измерительной системой.

     Отсчетное устройство (шкала и стрелка)
     Отсчетное устройство - часть конструкции средства измерения, предназначенная для отсчета показаний. Может быть в виде шкалы, указателя, дисплея, экрана осциллографа и т.п.
     Шкала - часть конструкции отсчетного устройства, состоящая из отметок и чисел, соответствующих последовательным значениям измеряемой величины. Отметки могут быть в виде черточек, точек, зубцов и пр. Указатели могут быть в виде каплевидных, ножевидных и световых стрелок.

     Виды шкал, ценаделения
     Шкалы могут быть односторонние и двухсторонние, в зависимости от положения нуля. Если «О» находится в центре шкалы, то такая двухсторонняя шкала называется симметричной. Шкалы характеризуются числом делений, длиной деления, ценой деления, диапазоном показаний, диапазоном измерений и пределами измерений. Деление - это промежуток между двумя соседними отметками шкалы. Длина деления -это расстояние, измеренное между осевыми двух соседних отметок по воображаемой линии, проведенной через середины самых коротких отметок шкалы. Диапазон показаний -это область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями. Диапазон измерений - это область значений величин, для которой нормирована предельная допустимая погрешность. Предел измерения - это наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. На каждом диапазоне прибор имеет два предела: Хв - верхний предел, ХН -нижний предел.
     Цена деления - это разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Для шкал с одним


9

Справочник инженера по контрольно-измерительным приборам и автоматике

   диапазоном измерения цена деления определяется по формуле

С=(Х₁-Х₂)/п,

     где С - цена деления, п - количество делений на участке между двумя соседними числовыми отметками Х₁ и Х₂; Х₁ и Х₂ - значения физической величины, соответствующие двум соседним числовым отметкам.
     Чувствительность прибора (или чувствительность средства измерения) - это реакция на подведение к нему измеряемой величины. Чувствительность может вычисляться как абсолютная так и относительная, характеризующая чувствительность в данной отметке; так и по формуле, которая характеризует чувствительность по отношению к данному значению величины. Абсолютная чувствительность обратно пропорциональна цене деления Sₐ=1/C.
     Класс точности средств измерения - это обобщенная характеристика средства измерения, определяемая пределами основной и допускаемых дополнительных погрешностей и другими свойствами, влияющими на точность средства измерения, значения которых указаны в стандартах и технических условиях на данный вид средств измерений.
     Правила обозначения класса точности: обозначение класса точности зависит от способа выражения предела допустимой погрешности (основной). Если предел основной погрешности выражается в виде абсолютной погрешности, то класс обозначается в виде больших букв латинского алфавита или римских чисел, например: C, М, I. Классам точности, обозначаемым буквами, находящимися ближе к началу алфавита, или меньшими значащими цифрами, соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей.
     Для средств измерений, пределы основной допускаемой погрешности которых принято выражать в форме приведенной погрешности, классы точности следует писать в виде чисел из предпочтительного ряда чисел:
     110п; 1,510п; 210п; 2,510п; 410п; 510п; 610п,
     где п=1; 0; -1; -2; -Зи т.д.
     Если предел допускаемой погрешности выражается в виде относительной погрешности, то класс выбирается из приве

10