Автоматизация измерений, испытаний и контроля

Министерство Российской Федерации 

по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям 

и ликвидации последствий стихийных бедствий 

________________________________________________________ 

Академия гражданской защиты МЧС России 

Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России 

 

 

 

Гарелина С.А., Латышенко К.П., Сергеев И.Ю. 

 

 

 

 

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, 

ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ 

 

 

 

Издание второе, исправленное и дополненное 

 

 

 

Допущено в качестве учебного пособия 

учебно-методическим объединением вузов 

по образованию в области автоматизированного машиностроения 

 

 

 

 

 

Железногорск – 2020 

УДК 27.04.05 

ББК 32.965 

 

Рецензенты: кафедра автоматизации производственных 

       процессов РХТУ (Новомосковского института); 

       д-р. техн. наук А.А. Попов, НПО Химавтоматика 

 

Допущено в качестве учебного пособия 

учебно-методическим объединением вузов 

по университетскому политехническому образованию 

 

 

Автоматизация измерений, испытаний и контроля/К.П. Латышенко. – Же
лезногорск: СПСА, 2020. – 486 с. 

 

Рассмотрены виды измерений, испытаний и контроля, агрегатные средства 

автоматических систем, алгоритмическое и программное обеспечение таких си
стем, их метрологические характеристики, микропроцессоры, каналы связи. 

Приведены примеры систем измерений, испытаний и контроля. Учебное посо
бие предназначено обучающимся по УГСН 20.00.00 «Техносферная безопас
ность и природообустройство», изучающим дисциплины «Автоматизация изме
рений, испытаний и контроля», «Автоматизация аналитического контроля», 

«Автоматизация городского контроля», «Тактика сил РСЧС и гражданской обо
роны», «Информационно-измерительные системы», «Метрология, стандартиза
ция и сертификация», «Пожарная и спасательная техника. Базовые машины», 

«Основы оперативного управления РСЧС и ГО»  и др. 

 

 

 

© СПСА ГПС МЧС России, АГЗ МЧС России,  2020 

СОДЕРЖАНИЕ 

 

Условные сокращения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5 

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  7 

Глава 1. Испытания и контроль продукции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11 

1.1. Продукция и её качество  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11 

1.2. Измерение параметров качества изделий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  31 

1.3. Испытания продукции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  48 

1.4. Контроль качества продукции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  61 

1.5. Средства измерений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  70 

1.6. Федеральный закон об обеспечении единства измерений  . . . . . . . . . . . . .  76 

Глава 2. Агрегатные средства автоматических 

систем измерений, испытаний и контроля  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   85 

2.1. Агрегатные средства автоматических систем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  89 

2.2. Пробоотбор и пробоподготовка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  97 

2.3. Аналоговые преобразователи сигналов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  106 

2.4. Дискретные (цифровые) преобразователи сигналов  . . . . . . . . . . . . . . . . .  117 

2.5. Интерфейс  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  131 

2.6. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи  . . . . . . . . . . . .  141 

Глава 3. Алгоритмическое и программное обеспечение 

автоматических систем измерений, испытаний и контроля  . . . . . . . . . .  152 

3.1. Программное обеспечение измерительных систем  . . . . . . . . . . . . . . . . .  154 

3.2. Планирование испытаний  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  163 

3.3. Математическая модель объекта испытаний  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  171 

3.4. Обработка данных испытаний  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  176 

3.5. Методы оптимизации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  184 

Глава 4. Метрологические характеристики автоматических систем  . . .  192 

4.1. Метрологическое обеспечение измерений и испытаний  . . . . . . . . . . . . .  192 

4.2. Метрологическое обеспечение измерительных систем  . . . . . . . . . . . . . .  202 

4.3. Метрологические характеристики средств измерений и испытаний  . . .  219 

4.4. Метрологические характеристики измерительных систем  . . . . . . . . . . .  230 

4.5. Экспериментальное определение и контроль 

характеристик погрешности измерительных систем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  245 

4.6. Оценка эффективности информационных измерительных систем  . . . . .  265 

Глава 5. Автоматические микропроцессорные анализаторы  . . . . . . . . .  272 

5.1. Методы анализа жидкостей и газов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  273 

5.2. Микропроцессорные кондуктометры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  291 

5.3. Микропроцессорные анализаторы, вискозиметры и плотномеры  . . . . .  319 

Глава 6. Автоматические системы измерений, испытаний и контроля  . 333 

6.1. Измерительная система  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  333 

6.2. Виды измерительных систем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  336 

6.3. Проектирование и внедрение измерительных систем  . . . . . . . . . . . . . . .  356 

6.4. Микропроцессоры в системах измерения и контроля  . . . . . . . . . . . . . . .  361 

6.5. Канал связи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  377 

Глава 7. Реализация систем измерений, испытаний и контроля  . . . . . .  405 

7.1. Система контроля взрыво- и пожаробезопасности 

промышленных предприятий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  405 

7.2. Мобильный диагностический комплекс для объектов 

газовой, нефтяной и энергетической промышленности  . . . . . . . . . . . . . . . . .  414 

7.3. Спутниковые системы зондирования Земли  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  419 

7.4. Автоматизированная система коррозионного мониторинга  . . . . . . . . . .  423 

7.5. Мобильные экоаналитические лаборатории  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  430 

7.6. Системы автоматического контроля возгорания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 

7.7. Системы радиационного контроля  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  447 

7.8. Система радиационного автомобильного контроля  . . . . . . . . . . . . . . . . .  462 

7.9. Аппаратно-программный диагностический комплекс «Стрела»  . . . . . . . 465 

7.10. Система испытаний двигателей внутреннего сгорания  . . . . . . . . . . . . .  468 

7.11. Автоматическая система контроля загрязнения атмосферы  . . . . . . . . .  471 

7.12. Система радиационного контроля и мониторинга  . . . . . . . . . . . . . . . . .  475 

Библиографический список  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  481 

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 

 

АЛУ
– арифметико-логическое управления

АСУ
– автоматическая система управления

АСНИ
– автоматизированная система научных исследований

АСУТП
– автоматизированная система управления технологическим про
цессом

АЦП
– аналого-цифровой преобразователь

БИС
– большая интегральная схема

ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система

ГОСТ
– государственный общероссийский стандарт

ГСИ
– государственная система обеспечения единства измерений

ГСО
– государственный стандартный образец

ГСС
– государственная система стандартизации

ИВК
– измерительно-вычислительный комплекс

ИП
– измерительный преобразователь

ИК
– измерительный канал

ИИС
– информационно-измерительная система

ИС
– измерительная система

МВИ
– методика выполнения измерений

МНК
– метод неразрушающий контроля

МПД
– мощность поглощённой дозы

НД
– нормативная документация

НИР
– научно-исследовательская работа

НИОКР
– научно-исследовательская работа

НСП
– неисключённая систематическая погрешность

НТД
– нормативно-техническая документация

ОЗУ
– оперативное запоминающее устройство

ОК
– объект контроля

ОКР
– опытно-конструкторская работа

ОСТ
– общероссийский стандарт

ОТК
– отдел технического контроля

ОС
– окружающая среда

ОУ
– операционный усилитель

ПЗУ
– постоянное запоминающее устройство

ПД
– проектная документация

ПДН
– предельно допустимые нормы

ПИП
– первичный измерительный преобразователь

ПО
– программное обеспечение

СИ
– средство измерений

СКО
– среднее квадратическое отклонение

СО
– стандартный образец

СТД
– система технической диагностики

СЦР
– самоподдерживающаяся цепная реакция

ТЗ
– техническое задание

ТР
– технический регламент

ТУ
– технические условия

ФЗ
– федеральный закон

ЦАП
– цифроаналоговый преобразователь

ЧС
– чрезвычайная ситуация

ЯЭУ
– ядерная энергетическая установка

ВВЕДЕНИЕ 

 

Испытания проводят практически на всех этапах жизненного цикла объ
екта – начиная с научно-исследовательской разработки и кончая эксплуатацией. 

Они должны обеспечить получение объективной оценки результатов научно
исследовательской и опытно-конструкторской разработок (НИОКР), качества 

изготовления, надёжности, ремонтопригодности, эксплуатационных свойств 

готовой продукции. Испытания должны установить соответствие продукции 

требованиям заказчика, определить возможность и целесообразность НИОКР, а 

также работ по постановке на производство. 

Проведение испытаний готовой продукции требует значительных затрат 

как времени, так и средств, причём, трудоёмкость испытаний, несмотря на 

имеющиеся достижения в области создания автоматизированного испытатель
ного оборудования, постоянно растёт. 

Важнейшее условие проведения испытаний – их единство, под которым 

понимают воспроизводимость в пределах, установленных в нормативно
технической документации (НТД) допусков результатов испытаний, проведён
ных разработчиком, изготовителем, поставщиком и потребителем продукции. В 

систему обеспечения единства испытаний входят: средства измерений и испы
тательное оборудование, метрологическая служба и служба испытаний, стан
дарты, регламентирующие требования к методам и средствам испытаний. 

Развитие технологии производства, усложнение научных исследований 

привело к необходимости одновременного измерения, контроля и анализа не
скольких десятков, сотен и тысяч параметров одновременно. Всё это дало тол
чок к созданию сложнейших автоматических систем измерений, испытаний и 

контроля. 

Поэтому всё более возрастающие требования предъявляются к качеству 

подготовки технических кадров специалистов, а это в свою очередь связано с 

проблемой повышения эффективности обучения студентов в высшей школе. 

Учебное пособие предназначено для студентов дневной и вечерней форм 

обучения, магистрантов, изучающих дисциплины «Автоматизированный эколо
гический мониторинг», «Автоматизация научного эксперимента», «Системы 

экологического мониторинга», «Системы мониторинга городского хозяйства», 

«Автоматизация аналитического контроля», «Информационные измерительные 

системы», «Автоматизация объектов городского хозяйства», «Автоматизация 

измерений, испытаний и контроля» и др. по специальности 220301. Учебное 

пособие составлено в соответствии с программами соответствующих дисци
плин, в нём использован многолетний опыт преподавания на кафедре «Мони
торинг и автоматизированные системы контроля» (МАСК) МГУИЭ, в АГЗ 

МЧС России и СПСА. Авторы полагает, что студенты изучили такие дисци
плины, как «Промышленная электроника», «Информатика», «Метрология», 

«Технические измерения и приборы», «Методы и средства измерений» и «Тео
рия автоматического управления», поэтому ряд вопросов, нашедших детальное 

отражение в указанных выше курсах, не освещены в настоящем пособии. 

Учебное пособие состоит из введения и семи глав. 

В первой главе, посвящённой испытанию продукции, даны понятия о 

продукции и её качестве, измерении и испытании, контроле качества продук
ции, средствах измерения, дано краткое изложение Федерального закона об 

обеспечении единства измерений от 26 июня 2008 года. 

Во второй главе изложены сведения об измерительном канале системы 

контроля: агрегатных средствах автоматических систем измерений и контроля, 

пробоотборе и пробоподготовке, аналоговых и цифровых преобразователях 

сигналов, различных интерфейсах, АЦП и ЦАП. 

В третьей главе приведены сведения об алгоритмическом и программном 

обеспечении автоматических систем измерений, испытаний и контроля, о ма
тематической модели объекта испытаний, планировании эксперимента, обра
ботке данных испытаний и методах оптимизации. 

В четвёртой главе рассказано о метрологическом обеспечении измерений 

и испытаний, метрологических характеристиках средств измерений и измери

тельных систем (ИС), описано экспериментальное определение и контроль ха
рактеристик погрешности измерительных систем, приведены различные оценки 

эффективности систем контроля. 

В пятой главе приведены методы и прибора анализа жидких сред, автома
тические микропроцессорные приборы, которые представлены рядом анализа
торов и концентратомеров, применяемых в химической, нефте- и газохимиче
ской промышленности, медицине, биотехнологии и пр.: кондуктометры, виско
зиметры и плотномеры. 

В шестой главе дано понятие об измерительной системе, приведены виды 

ИС, показаны этапы проектирования и внедрения систем, а также рассказано о 

микропроцессорах в системах контроля и каналах связи. 

В седьмой главе описаны автоматические системы измерений, испытаний 

и контроля, реализованные в машиностроении, нефтегазовой промышленности 

и энергетике, городском хозяйстве, для экологического мониторинга и анали
тического контроля, системах мониторинга ЧС, а также для спутникового ди
станционного зондирования Земли. 

В результате изучения данного учебного пособия курсант (студент) 

должен: 

знать: 

– принципы и методы автоматизации измерений, контроля и испытаний; 

– базовые элементы, компоненты и агрегатные средства обеспечения ав
томатизации измерений контроля и испытаний; 

– алгоритмическое и программное обеспечение автоматических систем 

измерений, испытаний и контроля; 

– метрологическое характеристики автоматизированных систем; 

– автоматические системы измерений, испытаний и контроля, в т.ч. с ис
пользованием компьютерной и микропроцессорной техники; 

– СИ МЧС военного и специального назначения 

уметь: 

– выбирать необходимые СИ для измерительных систем для нужд МЧС; 

– применять способы нормирования и определения метрологических ха
рактеристик средств измерений и измерительных систем; 

– подбирать необходимое метрологическое обеспечение; 

– использовать компьютерные технологии, применяемые для автоматиза
ции измерений, контроля и испытаний; 

– использовать современные измерительные технологии на базе микро
процессорных систем и специализированных программных средств. 

владеть: 

– навыками работы со средствами автоматизации измерений различных 

физических величин для нужд МЧС; 

– навыками использования основных приёмов обработки эксперимен
тальных данных, полученных в результате измерений, испытаний и контроля; 

– навыками автоматизации различных видов контроля и испытаний при 

помощи современных технических средств измерений и автоматизации. 

 

ГЛАВА 1. ИСПЫТАНИЯ И КОНТРОЛЬ ПРОДУКЦИИ 

 

Повышение эффективности (лат. effectys – исполнение, действие, от efficio 

– действую, исполняю) производства, качества и конкурентоспособности про
дукции возможно при наличии многих условий, в том числе при обеспечении 

единства измерений и метрологическом (от греч.  – мера и … – 

наука) обеспечении всего хозяйственного комплекса. 

Научно-технический прогресс (от лат. progressus – движение вперёд, 

успех) предъявляет к промышленной продукции весьма высокие требования, в 

том числе к таким её свойствам, как: 

– широта функциональных возможностей; 

– надёжность; 

– уровень унификации, агрегатирования, использования современной 

элементной базы и вычислительной техники; 

– уровень автоматизации выполняемых изделием функций за счёт ис
пользования микропроцессорной техники; 

– возможность сопряжения с ЭВМ; 

– экономичность и удобство в работе. 

Актуальной является задача создания промышленных изделий, конкурен
тоспособных на внутреннем и мировом рынках. Повышение конкурентоспо
собности (от позднелат. сoncurentia, от лат. concurro – сбегаюсь, сталкиваюсь) 

отечественной продукции требует решения ряда технических, экономических и 

организационных вопросов. 

 

1.1. Продукция и её качество 

 

Продукция (лат. productio, от рrоduco – произвожу, создаю) – это резуль
тат труда, полученный в определённом месте за определённое время и предна
значенный для использования потребителями в целях удовлетворения их мате
риальных или духовных потребностей. 

ГОСТ Р ИСО 9000–2015 определяет продукцию как результат процесса 

(от лат. processus – продвижение), т.е. результат совокупности взаимосвязан
ных или взаимодействующих видов деятельности, преобразующих входы в вы
ходы. 

Имеются четыре общие категории (от греч.  – признак, выска
зывание) продукции: 

– услуги (перевозки). Предоставление услуги может включать, к примеру, 

следующее: 

– деятельность, осуществленную на поставленной потребителем матери
альной продукции (автомобиль (от греч.  – сам и …лат. mobilis – двига
ющийся), нуждающийся в ремонт, фр. remonte, от remonter – поправить, снова 

собрать); 

– деятельность, осуществленную на поставленной потребителем немате
риальной продукции (заявление о доходах, необходимое для определения раз
мера налога); 

– предоставление нематериальной продукции (информации (от лат. 

informatio – разъяснение, осведомление) в смысле передачи знаний); 

– создание благоприятных условий для потребителей (в гостиницах и ре
сторанах, фр. restaurant, от restaurer – возобновлять восстановлять); 

– программные средства (компьютерная программа (от греч.  

– объявление распоряжение), словарь). Программное средство содержит ин
формацию и обычно является нематериальным, может также быть в форме 

подходов, операций или процедуры; 

– технические средства (узел двигателя). Техническое средство, как пра
вило, является материальным и его количество выражается исчисляемой харак
теристикой (от греч. αρασσω – черчу); 

– перерабатываемые материалы (смазка). Перерабатываемые материалы 

обычно являются материальными и их количество выражается непрерывной 

характеристикой.