Файл: Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика.pdf

Курс лекций по направлению
«КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ И АВТОМАТИКА»

1
СОДЕРЖАНИЕ
1. Контроль и метрологическое обеспечение средств и систем автоматизации ............. 5
1.1. Основные понятия и определения............................................................................... 5 1.2. Классификация автоматических систем и их структура .......................................... 6 1.3. Основные характеристики и параметры элементов автоматики и систем.............. 9 1.4. Структура автоматических систем ............................................................................ 11 1.5. Элементы автоматики для приема информации (датчики) .................................... 14 1.6. Параметрические датчики .......................................................................................... 15 1.7. Генераторные датчики ............................................................................................... 26 1.8. Схемы включения датчиков ...................................................................................... 36 1.9. Электромеханические усилители ............................................................................. 41 1.10. Электрические усилители ........................................................................................ 44 1.11. Реле ............................................................................................................................. 53 1.12. Распределители ......................................................................................................... 63 1.13. Элементы автоматики для передачи и приёма информации ................................ 65 1.14. Элементы автоматики для использования информации ....................................... 68
2. Измерение и контроль механических величин ............................................................... 73
2.1. Механические воздействия ........................................................................................ 73 2.2. Методы измерений деформаций и механических напряжений ............................. 75 2.3. Термоупругий метод измерения механических напряжений ................................. 79 2.4. Метод рентгеновской тензометрии ........................................................................... 81 2.5. Методы измерений сил и крутящих моментов ........................................................ 83 2.6. Изменение силы методом уравновешивания ........................................................... 89
3. Измерение и контроль тепловых величин ....................................................................... 92
3.1. Значение теплоэнергетических измерений .............................................................. 92 3.2. Понятие об измерении тепловых величин ............................................................... 95 3.3. Единицы и методы измерения тепловых величин................................................... 98 3.4. Международная система единиц (СИ) ................................................................... 100 3.5. Классификация измерительных приборов ............................................................. 105 3.6. Характеристика элементов и свойства приборов .................................................. 118
4. Измерение и контроль давления, расхода газов и жидкостей .................................... 128
4.1. Основные сведения об измерении расхода и массы веществ............................... 128 4.2. Расходомеры переменного перепада давления ...................................................... 129 4.3. Расходомеры обтекания ........................................................................................... 130

2 4.4. Тахометрические расходомеры ............................................................................... 133 4.5. Электромагнитные расходомеры ............................................................................ 134 4.6. Расходомеры переменного уровня .......................................................................... 135 4.7. Тепловые расходомеры ............................................................................................ 137 4.8. Вихревые расходомеры ............................................................................................ 138 4.9. Акустические расходомеры ..................................................................................... 139 4.10. Счетчики штучных изделий................................................................................... 140 4.11. Особенности использования приборов для измерения расходов газов и жидкостей ......................................................................................................................... 142
5. Измерение и контроль электрических и магнитных величин ................................... 145
5.1. Электрические измерения ........................................................................................ 145 5.2. Эталоны единиц электрических величин ............................................................... 145 5.3. Измерительные приборы .......................................................................................... 146 5.4. Цифровые приборы .................................................................................................. 146 5.5. Аналоговые приборы ................................................................................................ 148 5.6. Регистрирующие приборы ....................................................................................... 150 5.7. Измерительные мосты .............................................................................................. 150 5.8. Измерение сигналов переменного тока .................................................................. 154
6. Исполнительные механизмы ............................................................................................ 159
6.1. Классификация исполнительных механизмов ...................................................... 159 6.2. Электрические исполнительные механизмы ......................................................... 161 6.3. Гидравлические исполнительные механизмы ....................................................... 190 6.4. Пневматические исполнительные механизмы ....................................................... 219 6.5. Конструкции пневматических исполнительных механизмов .............................. 225
7. Организация работ по монтажу, ремонту и наладке систем автоматизации, средств
измерений .................................................................................................................................. 232
7.1. Подготовка к производству монтажных работ ...................................................... 232 7.2. Взаимоотношение между заказчиками и подрядными организациями .............. 235 7.3. Сдача и приемка законченных комплексов монтажных и специальных строительных работ ......................................................................................................... 249 7.4. Монтаж элементов автоматики ............................................................................... 251 7.5. Монтаж щитов, пультов и стативов ........................................................................ 251 7.6. Монтаж электропроводок ........................................................................................ 268 7.7. Монтаж приборов для измерения температуры .................................................... 294 7.8. Монтаж приборов для измерения давления и разряжения ................................... 301

3
8. Эксплуатация систем автоматизации ............................................................................. 314
8.1. Назначение и содержание работ по эксплуатации ................................................ 314 8.2. Применение средств измерений и контроля .......................................................... 317 8.3. Техническое обслуживание и поверка .................................................................... 318 8.4. Ремонт ........................................................................................................................ 319 8.5. Транспортирование и хранение ............................................................................... 325 8.6. Категорирование и списание ................................................................................... 327 8.7. Ведение учета и эксплуатационной документации ............................................... 328 8.8. Государственные и отраслевые поверочные схемы .............................................. 330 8.9. Назначение метрологической аттестации и поверки средств измерений, виды поверок и способы их выполнения ................................................................................ 332 8.10. Достоверность поверки .......................................................................................... 335 8.11. Определение объема поверочных работ ............................................................... 336
9. Обеспечение надежности ................................................................................................... 338
9.1. Общие сведения о надежности автоматических систем ....................................... 338 9.2. Показатели надежности систем ............................................................................... 345 9.3. Показатели надежности восстанавливаемых систем ............................................ 352 9.4. Принципы описания надежности АСУ ТП. Отказы автоматических систем ..... 357 9.5. Надежность программного обеспечения АСУ ТП ................................................ 362 9.6. Общая характеристика условий работы автоматических систем ........................ 366 9.7. Методы повышения надежности автоматических систем .................................... 370
10. Охрана труда ...................................................................................................................... 378
10.1. Основы охраны труда ............................................................................................. 378 10.2. Государственная политика в сфере охраны труда ............................................... 395 10.3. Обязанности и ответственность работников по соблюдению требований охраны труда и трудового распорядка ........................................................................................ 405 10.4. Аттестация рабочих мест по условиям труда ...................................................... 416 10.5. Организация обучения по охране труда и проверки знаний требований охраны труда работников организаций. Разработка инструкций по охране труда ................ 426 10.6. Обеспечение работников средствами индивидуальной защиты ........................ 431 10.7. Документация и отчетность по охране труда ...................................................... 441 10.8. Техническое обеспечение безопасности зданий и сооружений, оборудования и инструмента, технологических процессов .................................................................... 459 10.9. Обеспечение безопасности .................................................................................... 466 10.10. Порядок расследования и учета несчастных случаев на производстве .......... 477

4
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................................... 496

5
1. КОНТРОЛЬ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СРЕДСТВ И
СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
1.1. Основные понятия и определения
В настоящее время в развитии автоматизации прослеживаются два основных направления: механизация и автоматизация.
Механизация – это замена мускульной силы человека машинами и механизмами.
Автоматизация – это применение приборов, приспособлений и машин, позволяющих осуществлять контроль и управление каким–либо процессом без участия человека.
В обоих направлениях различают частичную, полную и комплексную механизацию и автоматизацию. Оба эти направления связаны друг с другом, причём автоматизация является высшей ступенью механизации.
Автоматика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения автоматических систем, практического их использования и применения для них необходимых технических средств.
Телемеханика (от «tele» – даль, далеко) – это наука, которая изучает и создаёт устройства для контроля и управления на значительных расстояниях, используя различные линии связи как проводные, так и беспроводные, другими слова, телемеханика
– это автоматика на расстоянии. При этом телемеханика решает и проблемы, связанные с помехозащищённостью устройств автоматики при больших протяжённостях используемых линий связи.
Кибернетика – это наука об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации в машинах, живых организмах и их объединениях. Она изучает то общее, что характерно для всех процессов управления, независимо от их физической природы. Кибернетика является теоретической основой автоматизации производства и объединяет три научных направления:
 теорию информации;
 теорию программирования;
 теорию систем управления.
Следует отметить, что длительное время кибернетика в нашей стране была вне закона. Так, Толковый словарь 1954 года издания трактовал это понятие как реакционная

6 лженаука. Ярчайший пример ситуации, когда политика вмешивается в науку. А ведь в конце 30–х годов в нашей стране велись значительные разработки в области генетики и кибернетики.
Генетика – это наука об информации, которая заложена в клетке и передаётся по наследству от растения к растению, от человека к человеку.
Теория информации – это раздел кибернетики, в котором математическими методами изучают способы измерения различной информации.
Информация – это сведения, передаваемые людьми, и не только, различными методами и способами. Это общее научное понятие, включающее в себя обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире, передача признаков от клетки к клетке, от человека к человеку.
За единицу информации принимают её количество, содержащееся в случайной величине, принимающей с равной вероятностью два различных значения «да» и «нет»
(0 и 1). Такая единица информации называется двоичной и выражается как 1 бит. При этом 1 бит = log22, а значению 8 бит соответствует единица в 1 байт.
Количество информации на одно сообщение выражается через формулу:
 = log2m где m – число возможных исходов события.
Двоичная система связана с появлением такого элемента автоматики как реле, и первые ЭВМ строились именно на них.
1.2. Классификация автоматических систем и их структура
Под системой понимается нечто, состоящее из отдельных элементов, но свойства которого не сводятся к свойствам этих элементов.
Современные автоматические системы делятся в зависимости от их функций, выполняемых в производственном процессе, на четыре основных вида:

Системы автоматического контроля (САК), предназначенные для контроля работы объектов в целом или для контроля его отдельных технологических

7 параметров. Такие системы чаще называют измерительными системами.
Основные задачи, решаемые САК – измерение, сигнализация и учёт;

Системы автоматической защиты (САЗ), предназначенные для защиты машин, механизмов, приборов и других устройств от перегрузок, аварийных режимов, при достижении критических значений отдельных параметров, а также для защиты человека, участвующего в производственном процессе;

Системы автоматического управления (САУ), предназначенные для автоматического управления производственным процессом или его отдельными технологическими составляющими в оптимальном режиме или по определённой программе;

Системы автоматического регулирования (САР), служащие для поддержания технологических параметров на заданном уровне или изменение этих параметров по определённому закону.
Всякая система характеризуется, прежде всего, двумя параметрами: входным и выходным (рис. 1.1).
Рисунок 1.1. Основные параметры автоматической системы
Под входным параметром понимается информация или воздействие, подаваемое в систему, а под выходным – реакция системы на это входное воздействие.
Любая автоматическая система, в свою очередь, состоит из отдельных связанных между собой и выполняющих определённые функции конструктивных элементов, которые принято называть элементами
(звеньями) автоматических систем.
По функциональному назначению в системе эти элементы можно подразделить на следующие четыре основные группы:

Элементы для приёма информации, чаще называемые первичными преобразователями или датчиками;

Элементы для преобразования информации к виду более удобному для обработки, для передачи на расстояние или непосредственно исполнительным устройствам. К ним относятся измерительные схемы, усилители и распределители;

8

Элементы для передачи и приема информации, когда это необходимо, и для обработки принятой информации;

Элементы для использования информации, к которым относятся измерительные и регистрирующие приборы, а также исполнительные устройства, с помощью которых оказывается необходимое воздействие на объекты автоматизации.
Помимо этого, существует группа вспомогательных элементов, обеспечивающих нормальное функционирование четырёх перечисленных групп, к ним относятся различные источники питания, генераторы и стабилизаторы.
Внутри каждой из перечисленных групп необходимо различать элементы автоматики и по другим признакам:

По форме энергии: на входе и выходе. Так, у одних элементов имеет место преобразование формы энергии на выходе по сравнению с видом энергии на входе (электродвигатели), у других – вид энергии сохраняется, хотя внутри самого элемента энергия может принимать другие промежуточные формы
(трансформаторы);

По виду преобразования – элементы с непосредственным преобразованием энергии и элементы с промежуточным преобразованием;

По соотношению величин входной и выходной энергии есть пассивные элементы и активные.
В пассивных элементах выходной сигнал формируется только за счёт входного
(Рвых<Рвх), причём если форма энергии на входе и выходе одинакова, такие элементы называются элементами редуцирующего типа (редуктор, трансформатор). Если же форма энергии преобразуется в другую (чаще всего электрическую), такие элементы называются элементами генераторного типа
(термопары, вентильные фотоэлементы).
Активные элементы, как правило, содержат дополнительный источник энергии, за счет которого Рвых > Рвх. В таких элементах происходит усиление сигнала по мощности. Во всех активных элементах происходит управление потоком энергии от источника к нагрузке с помощью входного сигнала. Это процесс носит название модуляции, поэтому активные элементы часто называют элементами модуляторного типа.