Контрольно-измерительные приборы и основы автоматики

 
 
М. Н. Молдабаева  
 
 
 
 
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ  
И ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ 
 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019 

УДК 53.08 
ББК 30.10 
        М75 

Рецензенты: 
д-р пед. наук Алдияров К. Т.; 
преподаватель специальных дисциплин Муханбетова Р. Ж.; 
главный инженер тепло-холодного снабжения  
и вентиляции АО «АИФН Керуен-Сити» Ратов С. Т. 

 Молдабаева, М. Н. 
М75       Контрольно-измерительные приборы и основы автоматики : учебное пособие / М. Н. Молдабаева. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. – 332 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0327-6 

Рассмотрены основные понятия метрологии, виды измерений, устройство и принципы работы различных контрольноизмерительных приборов. Даны подробные указания по выполнению лабораторных работ и тестовые задания. 
Для студентов технического и профессионального образования, обучающихся по специальности «Управление в технических системах», а также инженеров КИПиА. 

УДК 53.08 
ББК 30.10 

ISBN 978-5-9729-0327-6    Молдабаева М. Н., 2019 

   Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
   Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 

Предисловие  
 
Наука начинается там,  
где начинаются измерения. 
Д. И. Менделеев  
 

В нашей жизни в связи с развитием науки, техники, раз
работкой новых технологий, эталонов и приборов измерению поддаются всё более современные физические величины, а диапазоны измерений расширяются. 

Постоянно растут требования к точности измерений.  

В таких условиях, чтобы разобраться с вопросами и проблемами измерений, метрологического обеспечения и обеспечения единства измерений, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий в практической деятельности высокое качество измерений, независимо  
от того, где и с какой целью они проводятся. 

Таким фундаментом является метрология. 
Измерения служат для познания природы: точность измерений — это путь к открытиям, хранению и применению точных знаний. 
Измерять начали с давних пор. С каждым годом роль 
измерений становилась все более важной. Человечество 
далеко продвинулось в технике измерений. 
Пользуясь современными методами, ученые точно измеряют свойства вещей и явлений. Эти измерения являются одним из средств овладевания природой, подчинения ее 
нашим нуждам. 
Метрология — это наука об измерениях и методах 
обеспечения их единства. 
Метрология охватывает широкий круг вопросов, связанных как с теоретическими проблемами, так и с задачами 
практики. Содержание метрологии составляют: общая теория 
измерений, единицы физических величин и их системы,  
методы и средства измерений, методы определения точно- 
сти 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. 

Сегодня измерения пронизывают все сферы жизни. Толь
ко родившийся человек, еще не имея имени, сразу становится 
объектом измерений. В первые минуты жизни к нему применяют средства измерения длины, массы и температуры.  
В повседневной жизни мы также постоянно сталкиваемся  
с количественными оценками. Мы оцениваем температуру 
воздуха на улице, следим за временем, решаем, насколько 
выгодно и рационально практически любое наше действие.  
С измерениями связана деятельность человека на любом 
предприятии. Инженеры промышленных предприятий, осуществляющие метрологическое обеспечение производства, 
должны иметь полные сведения о возможностях измерительной техники для оценки взаимозаменяемости узлов и деталей, контроля производства продукции на всех его жизненных циклах. 

Метрология занимает особое место среди технических 

наук, поскольку она впитывает в себя последние научные 
достижения. Это выражается в совершенствовании ее эталонной базы и способов обработки результатов измерений. 

Во-первых, метрология обеспечивает другие отрасли зна
ния тем необходимым инструментарием, без которого невозможна никакая постановка технического эксперимента,  
в частности его воспроизводимость.  

Во-вторых, именно это последнее свойство является ос
новой всякой, без исключений, технологии. И потому метрология выступает как один из гарантов технического прогресса.  

И наконец, в-третьих, в обществе метрология играет 

роль одного из регуляторов социально-экономических  

отношений, принадлежит сфере государственного регулирования и в силу этого оказывает влияние на социальное 
развитие в целом. 

Развитие современных измерительных технологий и 

средств измерений, в первую очередь высокотехнологичных, 
способствует развитию как промышленности, так и науки  
и экономики в целом. Так происходит, потому что речь идет 
о высокотехнологичном производстве, дающем рабочие места для высококвалифицированных, высокообразованных 
специалистов технических отраслей.  

Метрология стала наукой, без знания которой не может 

обойтись ни один специалист любой отрасли. В настоящее 
время метрология развивается по нескольким направлениям. 
Если еще в начале XX века под словом «метрология» понималась наука, главной задачей которой было описание всякого рода мер, применяемых в разных странах, то теперь это 
понятие приобрело гораздо более широкий научный и практический смысл. Расширилось содержание метрологической 
деятельности и появилось понятие метрологического обеспечения производства.  

Метрология состоит из трех основных разделов: 
 
Теоретическая, или фундаментальная, метрология 
рассматривает общие теоретические вопросы, связанные с разработкой теории и проблем измерений 
физических величин, их единиц, методов измерений. 

 
Прикладная метрология — это сфера практического 
применения разработок теоретической метрологии. 
В ее ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения. 

 
Законодательная метрология определяет обязательные технические и юридические требования по 
применению единиц физической величины, методов 
и средств измерений. 
 

ГЛАВА 1 

Системы автоматического контроля  

и основы метрологии 
 

§ 1.1. Системы автоматического контроля 
 
Системой автоматического контроля называют систему, 

состоящую из объекта контроля и различных устройств, 
выполняющих функции измерения. Под объектом контроля 
понимают агрегат или процесс, в котором одну или несколько величин измеряют. 

В большинстве случаев система автоматического кон
троля одной величины включает четыре элемента: 

 объект,  
 чувствительный элемент,  
 линию связи,  
 измерительное устройство.  

Чувствительный элемент устанавливают непосредствен
но в объекте контроля, он воспринимает величину контролируемого (измеряемого) параметра и преобразует ее в соответствующий сигнал, поступающий по линии связи к измерительному устройству. Структурная схема такой системы показана на рис. 1.1, где каждый из элементов представлен прямоугольником; стрелки между прямоугольниками показывают направление передачи сигналов с одного 
элемента на другой. Элементы характеризуются сигналами  
на входе и выходе, называемыми также входными и выходными сигналами. Здесь передача сигнала идет в одном 
направлении, т. е. от объекта к измерительному устройству. 
Такие системы автоматического контроля называют разомкнутыми. В некоторых системах контроля чувствительный элемент является элементом измерительного устройства. В этом случае линия связи между чувствительным  
и измерительным элементами отсутствует, а структурные 
схемы системы контроля соответствуют схемам, приведенным на рис. 1.2. 

Если измерительный прибор, например термометр или 

манометр (прибор для измерения давления), устанавливают 
непосредственно на объекте, то системе контроля соответствует схема на рис. 1.2, а. Если же измерительный прибор, 
например манометр, установлен на небольшом расстоянии 
от объекта и соединен с объектом линией связи (трубкой), 
то системе контроля соответствует схема на рис. 1.2, б. 

 Системы автоматического контроля подразделяются  

на местные, дистанционные и телеизмерительные. 

Системы контроля, в которых измерительные устройства 

расположены вблизи объекта (вблизи места установки чувствительного элемента), называются местными. 

Автоматический контроль можно осуществлять и на рас
стоянии от контролируемого объекта, удлинив линию связи 
между чувствительным элементом и измерительным устройством. В этих случаях система местного контроля усложняется введением в измерительное устройство преобразователя 
для преобразования результата измерения в пропорциональный пневматический или электрический сигнал. 

 

Рис. 1.1. Структурная схема системы автоматического контроля: 
0 — объект; ЧЭ — чувствительный элемент;  
ЛС — линия связи; ИУ — измерительное устройство 

Рис. 1.2. Структурные схемы систем автоматического контроля  

без чувствительных элементов (обозначения те же, что и на 

рис. 1.1): а — прибор установлен на объекте;  
б — прибор установлен вне объекта 
 
Последний содержит информацию о величине измеряе
мого параметра и по соответствующей линии связи пере- 
дает ее другому измерительному устройству, располо- 
женному на расстоянии от объекта контроля. Во втором 

измерительном приборе осуществляется обратное преобразование сигнала, переданного по линии связи, в результат 
измерения. Подобная система автоматического контроля 
называется дистанционной. Таким образом, дистанционная 
система контроля имеет два измерительных устройства: 
первичный и вторичный приборы. 

В зависимости от вида используемой энергии дистанци
онные системы подразделяются на пневматические, электрические и гидравлические. 

В пневматических системах используется энергия сжато- 

го воздуха. К первичному прибору подводится воздух под  
постоянным избыточным давлением 0,14 МПа (1,4 кгс/см2),  
а на его выходе давление изменяется в зависимости от величины измеряемого параметра в пределах от 0,02 до 0,1 МПа 
(от 0,2 до кгс/см2). 

В электрических системах используется электроэнергия. 

В первичном приборе результат измерения преобразуется в 
силу или напряжение постоянного электрического тока или 
напряжение переменного электрического тока, величины 
которых пропорциональны результату измерения. В электрических системах дистанционной передачи используются 
также частотные преобразователи, которые преобразуют 
результат измерения в пропорциональную величину частоты переменного тока. 

В химической, нефтехимической и промышленности по 

производству минеральных удобрений в основном применяют пневматические дистанционные системы автоматического контроля. Электрические системы используют значительно реже, а гидравлические не применяют вообще. 

Для передачи результатов измерения на расстояние  

десятков и сотен километров применяют телеизмерительные системы контроля. В таких системах результат измерения при помощи преобразователя в первичном приборе 
преобразуется в кодированные, обычно дискретные сигналы, передаваемые по каналу (линии) связи. Во вторичном 

приборе, установленном на другом конце канала связи, эти 
сигналы преобразуются в результат измерения и фиксируются в цифровой или аналоговой форме. 

В сфере управления сложными производственными про
цессами находят применение системы централизованного 
контроля. В этом случае вторичные приборы устанавливают на центральном щите. В крупных цехах с большим числом точек контроля центральный щит может достигать десятков метров в длину и становиться недоступным для обозрения оператора. Для наилучшей организации централизованного контроля применяют специальные машины —  
машины централизованного контроля (МЦК), которые собирают и автоматически обрабатывают информацию при 
контроле сложных производственных процессов. 

Выходная информация, которая используется для воз
действия на контролируемый процесс, называется оперативной. Чтобы сократить выходную информацию о большинстве контролируемых величин, ее можно заменить сигнализацией, которая включается только тогда, когда какаялибо контролируемая величина достигает некоторого наперед заданного значения. Обычно при отклонении контролируемого параметра от заданного значения машина выдает 
световой (зажигание или мигание лампочки) или звуковой 
(звонок, гонг) сигнал. Значения контролируемых величин 
могут быть также получены оператором по вызову. Отклонения контролируемых параметров от установленных пределов измерения по вызову регистрируются в непрерывной 
или цифровой форме. 
 
§ 1.2. Основы метрологии 
 
Методы измерения. Под методом измерения понимают 

совокупность приемов использования принципов и средств 
измерений. Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: непосредственная оценка, сравнение  

с мерой, дифференциальный метод, нулевой метод и метод 
совпадения. 

Метод непосредственной оценки дает значение изме
ряемой величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, измерение давления пружинным манометром. Точность измерений этим методом бывает ограниченной, но быстрота процесса измерения делает его незаменимым для практического применения. Наиболее многочисленной группой средств измерений, 
использующих этот метод, являются показывающие, в том 
числе и стрелочные, приборы (манометры, вольтметры, 
расходомеры). 

В случае выполнения особо точных измерений приме
няют метод сравнения с мерой: измеряемую величину 
сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями. 

По дифференциальному (разностному) методу измеря
ют разность между значениями измеряемой и известной 
(воспроизводимой мерой) величин. Например, сравнение 
измерений с образцовой мерой на компараторе при поверке мер длины. Дифференциальный (разностный) метод 
позволяет получать результаты с высокой точностью даже 
при применении относительно грубых средств измерения 
разности. Но реализовать этот метод можно только при 
условии воспроизведения с большой точностью известной 
величины, значение которой близко к значению измеряемой. Это во многих случаях легче, чем изготовить средство 
измерений высокой точности. 

Нулевой (компенсационный) метод измерений — метод 

сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Для воспроизведения физических величин определенного размера, служащих для сравнения, в 
нулевом методе измерения применяют меры этих величин.