2.3 Расчёт основных погрешностей измерительных цепей
Автоматизированная система контроля (АСК) состоит из измерительных цепей включающих в себя измерительный преобразователь, нормирующий или промежуточный преобразователь, вторичный прибор и/или аналого-цифровой (АЦП) преобразователь для выхода на ЭВМ. Поэтому возникает необходимость в расчёте суммарных основных погрешностей таких комплектов, а также выборе диапазонов измерений или преобразования измерительных устройств.
При выборе диапазона измерения (преобразования)руководствуются следующими соображениями:
Если известно рабочее (номинальное) значение Xnom измеряемого технологического параметра, то диапазон
D = Xmax – Xmin , при Xmin = 0 определяется как
D = Xnom /0.7 (2.1)
Если выбирается прибор (преобразователь) с безнулевой шкалой (диапазон преобразования), т. е.
D =Xmax – Xmin при Xmin ≠ 0, то рабочее значение измеряемого параметра может находиться посередине диапазона.
Значение диапазона D выбирается из нормальных рядов, в соответствии с расчитанным по формуле (2.1).
При расчёте суммарных основных погрешностей измерительных цепей при отсутствии корреляции пользуются формулой геометрического суммирования:
где
- погрешность i
-го преобразователя (прибора), которая
может быть представлена в абсолютном,
относительном или приведённом виде.
2.4 Обзор си температуры
Средства для измерения температуры подразделяются на термометры и термопреобразователи [5-7]. Отдельную группу СИ температуры образуют пирометры, измеряющие температуру по тепловому излучению.
Термометры являются местными приборами. К ним относятся в основном жидкостно-стеклянные термометры. Для сигнализации или позиционного регулирования используются электроконтактные ртутные термометры с подвижным контактом, а так же бесшкальные термоконтакторы с постоянной или переменной точкой контактирования.
Частично к группе термометров можно отнести манометрические термометры с короткими капиллярными трубками и с показывающими манометрами, градуированными в градусах Цельсия. Они могут иметь контактную систему для сигнализации о предельных значениях температур. В производственных условиях перечисленные приборы применяются ограниченно.
Термопреобразователи образуют наиболее обширную группу СИ температуры. К ним относятся манометрические, сопротивления и термоэлектрические.
Манометрические термопреобразователи содержат термобаллон, капилляр и бесшкальный манометр-преобразователь с унифицированным выходным сигналом (электрическим или пневматическим). В зависимости от заполнения манометричесие СИ подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (заполненные легкокипящей жидкостью).
Обобщённый предел измеряемых температур составляет -50…600 °С. Нормальный пределов измерений (диапазонов) кратен 50°С (до 200°С ), 100 °С (до 400 °С ) и 200 °С (свыше 400 °С ).
Манометрические СИ имеют классы точности 1,0; 1,5; и 2,5 при заполнении термосистемы газами или жидкостями и 1,5; 2,5; и 4,0 при заполнении конденсатом.
Достоинством манометрических СИ является возможность их применения во взрыво- и пожароопасных зонах. Недостатки –невысокая точность по сравнению с другими типами температурных СИ и плохая виброустойчивость.
Термопреобразователи сопротивления по виду термочувствительного элемента (ТЧЭ) подразделяются на металлические (ТЧЭ – терморезистор) и полупроводниковые (ТЧЭ – термистор). Последние из-за ряда специфических особенностей применяются редко.
Терморезистор представляет собой безындукционную каркасную или бескаркасную катушку, намотанную медным или платиновым проводом диаметром 0,05…0,1 мм. Терморезистор помещается в защитную арматуру, изготовленную в виде глухой трубки из латуни и стали, которая может иметь резьбовой штуцер для крепления на объекте измерения.
Термопреобразователи группы ТСМ (с медными ТЧЭ) используются в диапазоне температур –50…200°С.
Термопреобразователи группы ТСП (с платиновыми ТЧЭ) имеют диапазон измеряемых температур –260…1100°С.
В качестве вторичных приборов для термопреобразователей сопротивления с естественным выходным сигналом в виде изменения электрического сопротивления используются магнитоэлектрические логометры и автоматические мосты. Шкалы этих приборов градуированы в градусах Цельсия.
Логометры и неуравновешенные мосты с миллиамперметрами в измерительной диагонали являются только показывающими приборами (иногда с предельной сигнализацией) и имеют невысокие классы точности (обычно 1,0; 1,5).
Автоматические уравновешенные мосты, кроме функций показания и сигнализации, имеют устройства для регистрации (записи) и могут быть многоканальными (до 12 точек измерения). Класс точности мостов составляет 0,25; 0,5.
Для унификации выходных сигналов ТС используются нормирующие преобразователи (НП), для масштабного преобразования «сопротивление-ток» или «сопротивление - цифровой код».
Термоэлектрические преобразователи (в дальнейшем ТП) представляют собой термопару (спай двух проводников, изготовленных из разнородных металлов и /или сплавов), помещённую в защитный чехол или специальную арматуру.
Особенности ТП:
широкий диапазон измеряемых темеператур;
в бесчехольном исполнении позволяют измерять температуру в точке среды или объекта с очень малым временем реакции;
требуют внесения поправки на температуру свободных концов.
Конструктивные формы ТП разнообразны и завися от назначения:
погружаемые ТП;
ТП для измерения температуры расплавленных металлов;
ТП для измерения температуры поверхности неподвижных и вращающихся тел;
кабельные ТП, предназначенные для измерения температур в труднодоступных местах, например в тепловыделяющих элементах энергетических ядерных реакторов;
специальные ТП на основе тугоплавких соединений, предназначенные для измерения температур расплавов и высокотемпературных газовых потоков.
По точностным показателям ТП обеспечивают меньшую точность измерения температур, чем ТС.
В качестве вторичных приборов, подключаемых непосредственно к ТП, т.е. использующих естественный выходной сигнал (термоэдс), применяются магнитоэлектрические милливольтметры и автоматические потенциометры.
Первые являются только показывающими приборами и почти не применяются.
Автоматические потенциометры имеют устройства для регистрации (записи) показаний и могут иметь до 12-ти точек измерения.
Класс точности потенциометров составляет 0,25;0,5.
Для унификации выходных сигналов ТП применяются нормирующие преобразователи, обеспечивающие масштабное преобразование «эдс-ток» или «эдс-цифровой код».
Класс точности НП для ТП и ТС составляет 0,1; 0,15 (с цифровым выходным сигналом) и 0,25; 0,4(с аналоговым выходным сигналом).
Все вышерассмотренные СИ температуры своими чувствительными элементами непосредственно контактируют с измеряемой средой. Поэтому верхний предел измеряемых температур ограничивается значениями 1800… 2500 °С .
Для измерения более высоких температур используются пирометры. Пирометры применяются в тех случаях, когда невозможно использовать контактные средства измерений (например, измерение температуры в пламени, при прокатке металлов в металлургии и др.). Диапазон измеряемых температур от 20 до 6000°С . Основная погрешность пирометров 1…1,5 %, что много больше, чем у контактных СИ температуры.
На рисунке 2.1 представлены измерительные цепи для СИ температуры.
Рис.
2.1 Измерительные цепи СИ температуры