Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Цифровые средства измерений давления и температуры. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

А.П. Лепявко

ЦИФРОВЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ

Учебное пособие

Москва

2009

УДК 531. 7.87

Лепявко А.П. Цифровые средства измерений давления и тем-

пературы: Учеб. пособие. — М.: АСМС, 2009. — 102 с.

Рассматриваются принцип действия цифровых микропроцессорных средств измерений давления и температуры, методы аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования. Анализируется отличие метрологических характеристик цифровых и аналоговых средств измерений. Дана общая характеристика современных микропроцессорных средств измерений и приведены нормируемые метрологические характеристики цифровых средств измерений. Рассмотрены особенности методик их поверки и калибровки.

Учебное пособие соответствует образовательной программе дисциплины «Поверка и калибровка средств теплотехнических измерений» и предназначено для слушателей АСМС, обучающихся по этой специализации.

Учебное пособие рассмотрено на заседании кафедры «Теплотехнические измерения» и рекомендовано к использованию в учебном процессе.

ISBN 978-5-93088-087-8 © АСМС, 2009

ВВЕДЕНИЕ

В 80-е годы XX столетия произошла «цифровая революция».

Освоено массовое производство микроэлектроники и микропро-

цессорной техники. Изделия стали достаточно дешевыми, что

привело к их массовому использованию практически во всех об-

ластях человеческой деятельности.

В настоящее время цифровые микропроцессорные средства

широко применяются для измерений различных величин, в том

числе измерений давления, температуры и расхода. В тех случа-

ях, когда предъявляются требования к точности измерений, циф-

ровые микропроцессорные средства в течение последних лет

практически полностью вытеснили аналоговые.

Цифровые средства измерений имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми. Погрешность измерений, обеспечиваемая современными интеллектуальными средствами измерений давления и температуры, практически на порядок меньше, чем у аналоговых средств измерений. При равных или более высоких метрологических характеристиках микропроцессорные средства измерений значительно дешевле. Эти средства используются не только для измерений, но и для регулирования технологических процессов. Они обеспечивают как простое позиционное регулирование, так и регулирование по любым достаточно сложным законам.

Достоинством цифровых средств измерений является возможность передачи информации непосредственно в цифровом виде в систему управления, а также регистрации накопленной информации в собственной внутренней памяти. Цифровая информация передается в виде импульсов, характеризуемых наличием двух резко отличающихся состояний, что обеспечивает их различимость. За счет этого практически исключаются потери измерительной информации, поступающей в систему управления.

Пособие предназначено для специалистов, повышающих квалификацию в АСМС по специализации «Поверка и калибровка средств теплотехнических измерений», и рекомендуется специалистам, деятельность которых связана как с калибровкой и поверкой средств измерений давления, температуры и расхода, так и с практическими измерениями этих величин.

1. КВАНТОВАНИЕ

Цифровыми средствами измерений называются такие средст-

ва измерений, в которых по принципу действия происходит квантование измеряемой величины по уровню. При квантовании происходит разделение измерительной информации на некоторое количество ступеней. Каждому из некоторого бесконечного множества значений аналоговой величины ставится в соответствие одно значение.

Примечание: Русский термин «цифровой» (от слова «цифра» — знак,

обозначающий число) не вполне соответствует английскому термину «digital» — цифровой, дискретный (от digit — палец, однозначное число от 0 до 9).

Квантование по уровню — это преобразование непрерыв-

ной последовательности значений измеряемой величины X, имеющей в конечном диапазоне измерения от X

min

до X

max

бес-

конечное множество значений, в последовательность дискретных значений Yi в пределах от Y

min

до Y

. Эта последовательность

max

имеет конечное, счетное число значений. По своей сущности квантование близко к операции округления.

Квантование иллюстрируется на рис. 1.1. Входная (измеряе-

мая) непрерывная величина X преобразуется в квантованный выходной сигнал Y. При изменении величины X в некотором огра-

ниченном диапазоне от нижнего значения Xiн до верхнего Xiв значение Y остается неизменным и равным Yi, а затем сразу возрастает до значения Y

Зависимость показаний или выходного сигнала цифрового

средства измерений от измеряемой величины имеет вид ступенчатой кривой с разрывами в точках Xiн и Xiв. Разность значений выходного сигнала Y

и Yi и интервал между значениями вход-

ной (измеряемой) непрерывной величины Xiн и Xiв, соответствующий изменению выходного сигнала на одну ступень, называется шагом (ступенью) квантования q.

На рис. 1.1 приведены возможные варианты квантования не-

прерывной последовательности значений X. На этих же рисунках дана линия идеального преобразования Yи = X.

В случае квантования в соответствии с рис. 1.1а при увеличе-

нии значения X значение Y возрастает на одну ступень только по-

сле того, как разница между значениями Yи и Y не станет равной q. Такое квантование аналогично округлению по недостатку, т.е. когда у округляемого числа отбрасываются все цифры, располагающиеся правее цифры некоторого определенного разряда.

а б в

Рис 1.1. Возможные варианты квантования непрерывной величины X:

q — шаг квантования; Δ

∙ ── · ── · — идеальное преобразование Yи = X

— погрешность квантования;

При квантовании в соответствии с рис. 1.1б ступенчатое изменение Y происходит уже при равенстве значений Yи и Y (анало-

гично округлению по избытку, когда при отбрасывании цифр, расположенных правее остающейся цифры, происходит увеличение последнего сохраняемого разряда на одну единицу).

На рис. 1.1в приведен вариант квантования, при котором изменение Y происходит после того, как разница между значениями

Yи и Y становится равной 0,5q.

Так как при квантовании при изменении входной величины X в пределах шага квантования выходная величина Y остается не-

изменной, возникает погрешность квантования Δq

Δq = Y – X. (1.1)

В некоторых старых изданиях, посвященных цифровым средствам измерений, операция квантования называется дискретизацией. В ГОСТ 13607–68 «Приборы и преобразователи циф-

ровые. Основные термины и определения» погрешность квантования названа погрешностью дискретности и дано такое определение: «погрешность дискретности — погрешность, возникающая в результате квантования непрерывной измеряемой величины, обусловленная конечностью числа уровней квантования».

Для вариантов квантования, приведенных на рис. 1.1а и 1.1б,

погрешность квантования изменяется от 0 до –q и от +q до 0 соответственно. Наилучшим является такое квантование, при котором абсолютные отклонения от линии идеального преобразования минимальны (см. рис. 1.1в). При этом погрешность квантова-

ния Δq изменяется от +0,5q до −0,5q.

Таким образом, в общем случае погрешность квантования

может изменяться в пределах ±q. Но даже при наиболее благоприятном варианте погрешность квантования находится в преде-

лах Δq = ±0,5q. Это значение называют погрешностью идеаль- ного квантователя. Оно определяется только шагом квантования. Погрешность идеального квантователя в технической литературе часто называют «методической» по той причине, что она вызвана самим методом цифрового представления информации.

Выходным сигналом цифрового средства измерений могут

быть цифровой код, цифровое значение на отсчетном устройстве, квантованная по уровню аналоговая величина — постоянный ток или напряжение. У средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде, шаг квантования соответствует цене единицы наименьшего разряда кода. У цифровых средств измерений с аналоговым выходным сигналом шаг квантования соответствует единице младшего разряда (ЕМР) цифроаналогового преобразователя.

У показывающих цифровых приборов шаг квантования соот-

ветствует разрешающей способности. В большинстве случаев разрешающая способность прибора равна значению младшего разряда цифрового отсчетного устройства μ. Однако встречаются приборы, у которых q > μ. У таких приборов в младшем разряде могут появляться только четные цифры (в этом случае q = 2μ) или только 0 и 5 (в этом случае q = 5 μ).

На рис. 1.2 приведен пример реального преобразования. Да-

ны зависимости выходного сигнала Y (рис. 1.2а) и погрешности (рис. 1.2б) от входной (измеряемой) величины X.

На рис. 1.2а qy — это шаг (ступень) квантования выходного

сигнала средства измерений, qx — шаг квантования входного сигнала, изменение входного сигнала от Xiн до Xiв, при котором

выходной квантованный сигнал изменяется на один шаг.

Рис. 1.2. Реальное аналого-цифровое преобразование:

а — преобразование; б — погрешность;

∙ ── · — номинальная характеристика преобразования Y = Fн(X)

На этом рисунке изображен случай, когда номинальная характеристика преобразования средства измерений Y = Fн(X) ли-

нейна. В частном случае Y = X.

Выходной сигнал измерительного преобразователя давления в идеальном случае линейно зависит от измеряемого давления. При идеальном преобразовании Y = X. Шаг квантования выход-

ного сигнала qy равен шагу квантования входного сигнала qx.

При измерении температуры комплектом, состоящим из термопреобразователя и вторичного прибора, входной величиной является температура, выходной — ее цифровое значение. Для

этого случая при идеальном преобразовании Y = X и q

= qx.

При измерении расхода методом переменного перепада дав-

ления часто непосредственно измерительный преобразователь перепада давления производит вычисление квадратного корня. Очевидно, что в этом случае зависимость выходного сигнала от перепада давления нелинейна.

Зависимости ТЭДС и электрического сопротивления термо-

преобразователей от температуры нелинейны. Поэтому вторичные средства измерений температуры имеют нелинейные номинальные характеристики преобразования. Вторичное средство обеспечивает линеаризацию зависимости выходного сигнала от температуры.

При нелинейной номинальной характеристике преобразова-

ния, как правило, шаг квантования выходного сигнала остается одинаковым во всем диапазоне измерений. При этом изменяется

шаг кантования входного сигнала и q

≠ qx.

На рис. 1.2б приведена зависимость погрешности от входной

(измеряемой) величины X. В технической литературе погрешность цифровых средств измерений часто разделяют на «инструментальную» и «методическую». «Инструментальная» погрешность

определяется свойствами элементов средства измерений. Эта

ins

составляющая погрешности может быть представлена как непрерывная функция измеряемой величины. «Методическая» погреш-

ность равна погрешности идеального квантователя Δq = ±0,5q.

Погрешность цифрового средства измерений Δ представляет-

ся как сумма «инструментальной» Δ

и «методической» по-

ins

грешностей Δq:

Δ = Δ

+ Δq. (1.2)

ins

Необходимо учитывать, что значение погрешности идеально-

го квантователя Δq определяется непосредственно свойствами самого средства измерения, поэтому она должна считаться инструментальной. Все погрешности, обусловленные отклонением выполняемых средством измерений преобразований от идеальных, относятся к инструментальным погрешностям. Разделение погрешности цифрового средства измерений является условным. Суммарная погрешность Δ в формуле 1.2 — это инструментальная погрешность.

Погрешность квантования изменяется закономерно в зависи-

мости от преобразуемой величины. Но сама преобразуемая вели-

чина изменяется случайным образом. Погрешность квантования

32/q

нi



вi



q,50Δо

является неслучайной функцией случайной величины, так как измеряемая величина является для наблюдателя случайной. Исходя из этого при оценке суммарной погрешности средства измерений принято рассматривать погрешность квантования как случайную, распределенную по закону равной плотности вероятно-

сти, со средним квадратическим отклонением, равным

«Инструментальная» погрешность Δ

в общем случае со-

ins

стоит из систематической составляющей ΔS, вариации H и слу-

чайной составляющей

Цифровые средства измерений температуры не имеют вариации. Многие современные цифровые средства измерения давления имеют пренебрежимо малую вариацию (гистерезис), значение которой не определяется при калибровке или поверке.

Графики на рис. 1.3 отображают преобразование при наличии случайной погрешности. При наличии случайной погрешности при неизменном значении входного сигнала X значения выходного сигнала Y могут быть различны. При этом одно и то же значе-

ние выходного сигнала Yi может наблюдаться при изменении входного сигнала в пределах от

до

. Ширина этого диапа-

зона определяется шагом квантования и случайной погрешностью и составляет (qx + 2

Случайную погрешность принято считать пренебрежимо малой в том случае, если можно, регулируя входную величину, установить такое ее значение, при котором не наблюдается изменения показаний в младшем разряде отсчетного устройства прибора, изменения цифрового кода или изменения значения квантованного аналогового выходного сигнала измерительного преоб-

разователя. Это условие выполняется при

Квантование приводит к увеличению погрешности средства измерений. Для снижения погрешности необходимо уменьшать шаг квантования. При q менее 0,2 предела допускаемой основной

погрешности Δo погрешность квантования Δq составляет менее ±0,1Δо. В таких случаях квантованием при оценке суммарной по-

грешности в большинстве практических приложений можно пренебречь.

Рис. 3. Реальное аналого-цифровое преобразование

при наличии случайной погрешности

Фактически и при использовании аналоговых приборов воз-

никает погрешность, вызванная квантованием по уровню, — погрешность отсчета. Причем, как правило, погрешность отсчета у аналоговых приборов значительно превышает погрешность квантования цифровых приборов.

Например, у цифрового прибора с пределами основной до-

пускаемой приведенной погрешности ±0,5 %, имеющего четырехразрядое отсчетное устройство и предназначенного для измерения температуры в диапазоне от 0 до 1100 °С, пределы допус-

каемой основной абсолютной погрешности ∆ ность квантования находится в пределах ∆

= ±5,5 °С, погреш-

= ±0,5 °С. Погрешно-

стью квантования можно пренебречь. При использовании аналогового прибора с такими же характеристиками и ценой деления шкалы 20 °С погрешность отсчета соизмерима с пределом допускаемой абсолютной погрешности.

Необходимо отметить, что квантование заложено в самой

сущности измерения. Измерение — совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины (Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений»).

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]