Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые средства измерений давления и температуры. Учебное пособие
.pdf
21
преобразование; FЦ — цифровое преобразование; К
— циф-
ЦАП
роаналоговое преобразование.
Зависимость ТЭДС и электрического сопротивления термопреобразователей от температуры нелинейна. Деформация чувствительного элемента и зависимость электрического сигнала на
выходе входного устройства средств измерений давления от давления также нелинейны. Таким образом, зависимость цифрового
кода на выходе из аналого-цифрового преобразователя от измеряемых давления или температуры нелинейна. При цифровом
преобразовании производится компенсация этой нелинейности
(линеаризация). При этом в цифровой части средства измерений
может быть скомпенсирована не только нелинейность номинальной функции преобразования, но и отклонения от номинальной
функции, т.е. погрешности, вносимые в аналоговые преобразования отличиями характеристик конкретных элементов, осуществляющих аналоговое преобразование, от номинальных.
Учет индивидуальных характеристик преобразования конкретных чувствительных элементов является одной из особенностей так называемых интеллектуальных средств измерений. За
счет этого обеспечивается значительное повышение точности.
В настоящее время применяются также выпущенные ранее
цифровые приборы измерения температуры, в составе которых
отсутствует микропроцессор. Линеаризация характеристики термопреобразователей в таких приборах проводится в аналоговой
части прибора, поэтому их иногда называют «аналоговыми».
Эти приборы представляют собой некую доработку аналоговых измерительных преобразователей температуры. В состав
аналогового измерительного преобразователя температуры входит функциональное устройство (устройство линеаризации). На
вход в это устройство поступает напряжение постоянного тока,
пропорциональное входному сигналу (электрическому сопротивлению или ТЭДС), на выходе — напряжение постоянного тока,
но уже пропорциональное температуре. Это напряжение поступает в АЦП и после масштабного преобразования — на отсчетное
устройство.
Иногда применяются также простейшие цифровые приборы
измерения температуры, выпускаемые в малых количествах небольшими предприятиями, в которых отсутствует и устройство
линеаризации. Нелинейностью характеристики термопреобразо-
22
вателей пренебрегают. Такие приборы, как правило, имеют низкую точность и ограниченный диапазон измерений.
Одной из наиболее важных технических характеристик мик-
ропроцессорных средств измерений является электромагнитная
совместимость. В этих средствах измерений мощность электрических сигналов во много раз меньше, чем в аналоговых. Электрические и магнитные внешние воздействия, которые ранее в
аналоговых средствах измерений могли рассматриваться как просто помехи, вызывающие появление дополнительных погрешностей, в современных средствах могут вызывать как нарушения в
работе микропроцессорных устройств, так и полную потерю программного обеспечения. В некоторых случаях эти воздействия
приводят к полному выходу средства измерений из строя.
3.2. Преобразование давления и температуры
в электрический сигнал
Чувствительным элементом в цифровых средствах измерений
давления, как правило, является мембрана. Для преобразования
деформации чувствительного элемента в электрический сигнал
используются тензорезистивные, емкостные и магниторезонансные преобразователи. Наиболее широко применяются тензорезистивные преобразователи
Принцип действия тензорезистивных преобразователей
(тензорезисторов) основан на свойстве металлов или полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при растяжении или сжатии. В преобразователях давления применяются
полупроводниковые тензорезисторы. Они размещаются на поверхности мембраны. При деформации мембраны происходит
растяжение или сжатие тензорезисторов, что приводит к изменению их электрического сопротивления.
На рис. 3.2а схематично представлен чувствительный эле-
мент тензорезистивного преобразователя давления. На поверхности мембраны 1 расположены четыре пленочных тензорезистора.
Тензорезисторы включены в схему неуравновешенного моста
(рис. 3.2б). Они располагаются таким образом, что при деформации мембраны два из них подвергаются растяжению (R1 и R4), а
два других (R2 и R3) сжатию. Напряжение в выходной диагонали
моста U
определяется деформацией мембраны и зависит от
вых
измеряемого давления.
23
а б
Рис. 3.2. Чувствительный элемент тензорезистивного преобразователя
давления (а) и схема включения тензорезисторов (б):
1 — мембрана; 2 — тензорезистор; R1, R2, R3, R4 — тензорезисторы;
U
— напряжение питания мостовой схемы;
пит
U
— выходное напряжение
вых
Схематично чувствительный элемент емкостного преобразователя давления и перепада давлений приведен на рис. 3.3а.
а б
Рис. 3.3. Чувствительный элемент емкостного преобразователя давления
(а) и схема емкостного моста (б):
1, 2 — электроды; 3 — мембрана;
U
— напряжение питания мостовой схемы;
пит
U
— выходное напряжение
вых
На мембрану 3 с двух сторон действуют давления р1 и р2. Под
действием перепада давления (Δр = р1 – р2) она прогибается, и
изменяется емкость конденсаторов, образованных мембраной 3 и
электродами 1 и 2. Конденсаторы могут быть включены в схему
емкостного моста (рис. 3.3б). Напряжение в выходной диагонали
моста U
зависит от перепада давления.
вых
24
Принцип действия частотно-резонансного преобразователя
давления иллюстрируется на рис. 3.4. Чувствительный элемент
такого преобразователя (рис. 3.4а) представляет собой кремниевую мембрану 1. Для преобразования деформации мембраны в
электрический сигнал используются два плоских механических
резонатора 2 и 3, интегрированных в мембрану.
Резонаторы выполнены в виде буквы «Н». Длина резонатора
около 30 мкм. Собственная частота колебаний составляет несколько десятков кГц. Резонаторы вместе с кремниевой мембраной образуют единый монокристалл.
Схема подключения резонаторов приведена на рис. 3.4б. Ре-
зонаторы помещаются в постоянное магнитное поле. При пропускании переменного тока через тело резонатора возбуждаются
его колебания, которые преобразуются в электрический сигнал.
Благодаря эффекту электромагнитной индукции в электрическом
контуре возникает переменная ЭДС с частотой, равной частоте
колебаний резонатора. Обратная связь контура возбуждения вместе с эффектом сдвига частоты вынужденных колебаний в сторону резонансной частоты обеспечивают постоянное соответствие
частоты электрических колебаний собственной частоте механических колебаний резонатора.
а б
Рис. 3.4. Чувствительный элемент частотно-резонансного преобразователя
давления (а) и схема включения резонатора (б):
1 — мембрана; 2, 3 — резонаторы
Резонаторы расположены в мембране таким образом, что при
ее деформации под действием давления или перепада давления
один из резонаторов подвергается растяжению, другой сжатию.
При этом изменяется частота собственных колебаний резонаторов. У одного резонатора она увеличивается, у другого понижа-
25
ется. С ростом давления увеличивается разница частот двух резонаторов. Информация о величине давления считывается в виде
частотного сигнала (от нуля до нескольких кГц), частота которого пропорциональна давлению.
Частота электрических импульсов является «полуцифровым»
сигналом. Это еще не цифрой код, но для преобразования частоты в цифровой код необходим только подсчет числа электрических импульсов, поступающих на вход счетчика за промежуток
времени.
Принцип действия термопреобразователей сопротивления
ТС основан на зависимости электрического сопротивления проводников от температуры. В настоящее время в технике измерения температуры и системах автоматизации используются металлические и полупроводниковые термопреобразователи сопротивления. У металлических ТС с ростом температуры сопротивление
возрастает. У полупроводниковых ТС (термисторов) сопротивление с ростом температуры уменьшается.
Абсолютные значения сопротивлений и температурных коэффициентов сопротивления у полупроводниковых ТС на порядок выше, чем у металлических. Недостатками полупроводниковых ТС, которые ограничивают их практическое применение, являются: большое различие характеристик конкретных экземпляров при выпуске из производства, относительно узкий диапазон
измерения и меньшая стабильность при эксплуатации по сравнению с металлическими. Поэтому в промышленности применяются в основном металлические ТС.
В настоящее время используются термопреобразователи сопротивления с чувствительными элементами, выполненными из
платины, меди и никеля, выполненные в соответствии с ГОСТ
6651–94 «Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний».
На территории Российской Федерации ГОСТ 6651 отменен.
Действует ГОСТ Р 8.625–2006 «Термометры сопротивления из
платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы
испытаний». Этот стандарт предусматривает выпуск термометров
сопротивления (термопреобразователей сопротивления) как с проволочными, так и с пленочными чувствительными элементами.
Номинальное значение сопротивления при 0 °С R0 рекомендуется выбирать из ряда: 10, 50, 100, 500, 1000 Ом. Чувствитель-
26
ность ТС характеризуется температурным коэффициентом со-
100
0
0100
R
RR
Класс
допуска
Пределы
допускаемых
отклонений
от НСХ, °С
Диапазон измерений, °С
Платиновый ТС
Медный ТС
Никелевый ТС
проволочный
ЧЭ
пленочный ЧЭ
АА
± (0,1 + 0,0017|t|)
–50…+250
–50…+250
–
–
А
± (0,15 + 0,002|t|)
–100…+450
–50…+450
–50…+120
–
В
± (0,3 + 0,005|t|)
–196…+660
–50…+600
–50…+200
–
С
± (0,6 + 0,01|t|)
–196…+660
–50…+600
–180…+200
–60…+180
противления
,
где R
и R0 — сопротивление при 100 и 0 ºС.
100
Для платиновых ТС предусматриваются два значения темпе-
ратурного коэффициента сопротивления 0,00385 и 0,00391, для
медных и никелевых одно значение: для медных 0,00428, никелевых 0,00617.
Условное обозначение номинальной статической характери-
стики преобразования НСХ платиновых ТС с α = 0,00391 начинается со значения номинального сопротивления при 0 °С, например, 100П. Условное обозначение НСХ платиновых ТС с
α = 0,00385 начинается с латинского обозначения платины, например, Pt100.
Классы допуска, пределы допускаемых отклонений от НСХ и
диапазоны измерений ТС в соответствии с ГОСТ Р 8.625 приведены в табл. 4.
Таблица 4
Зависимости электрического сопротивления от температуры
нелинейны. Линейная зависимость имеется только у медных ТС в
диапазоне температур от 0 до 200 ºС.
Схемы подключения чувствительных элементов ЧЭ согласно
ГОСТ Р 8.625 приведены на рис. 3.5. Подключение может проводиться по двухпроводной, трехпроводной и четырехпроводной
схемам.
27
Рис. 3.5. Схемы подключения чувствительных элементов
в термопреобразователях сопротивления:
а — двухпроводная; б — трехпроводная; в — четырехпроводная
При двухпроводной схеме на результат измерения оказывает
влияние сопротивление соединительных проводов. Провода, соединяющие термопреобразователь и вторичное средство измерений, выполняются из меди. Их сопротивление зависит от температуры и, следовательно, от температуры окружающего воздуха.
Поэтому оно может быть скомпенсировано только при каких-то
конкретных условиях. Изменение сопротивления соединительных
проводов приводит к дополнительной погрешности измерений.
Трехпроводная схема позволяет при выполнении соединительных линий из одинакового провода исключить это влияние.
Четырехпроводная схема обеспечивает возможность полного исключения влияния сопротивления соединительных проводов.
При этом не требуется проводить подключение одинаковыми
проводами.
ГОСТ Р 8.625 предусматривает выпуск ТС с одним и двумя
чувствительными элементами. Использование ТС с двумя ЧЭ
обеспечивает возможность проведения диагностики состояния
ТС при эксплуатации.
Принцип действия термоэлектрических преобразователей
ТП основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (ТЭДС)
от температуры.
Значение ТЭДС, возникающей в измерительной цепи, зависит
не только от измеряемой температуры t (рабочего спая), но и от
температуры свободных концов (свободного спая) ТП t0. При этом
28
E(t,0) = E(t,t0) + E(t0,0), (3.2)
Обозначение
термопреобразователя
Обозначение
НСХ
Класс
допуска
Диапазон
измерений,
°С
Пределы
допускаемых
отклонений
от НСХ
t
, °С
ТПП
S
2
От 0 до 600
Св. 600 до 1600
1,5
0,0025 t
1
От 0 до 1100
Св. 1100 до 1600
1,0
1,0 + 0,003(t – 1100)
ТХК
L
3
От –200 до –100
Св. –100 до +100
1,5 + 0,01|t|
2,5
2
0т –40 до +360
Св. 360 до 800
2,5
0,7 + 0,005t
ТХА
К
3
От –250 до –167
Св. –167 до +40
0,015|t|
2,5
2
0т –40 до +333
Св. 333 до 1300
2,5
0,0075t
1
0т –40 до +375
Св. 375 до 1300
1,5
0,004t
где E(t,0) — значение ТЭДС при температуре рабочего спая t и
температуре свободных концов t0 = 0 °С; E(t,t0) — ТЭДС в измерительной цепи; E(t0,0) — поправка на температуру свободных
концов (свободного спая) термоэлектрического преобразователя.
Шкала вторичного средства измерений градуирована по зна-
чениям ТЭДС при температуре свободных концов, равной 0 °С.
Поэтому при измерении необходимо обеспечить термокомпенсацию, т.е. ввести поправку на температуру свободных концов ТП,
которая определяется из уравнения 3.2.
Поправка E(t0,0) соответствует номинальному значению
ТЭДС преобразователя при температуре рабочего спая t0 и температуре свободных концов 0 °C. Рядом с клеммами подключения ТП во вторичном средстве измерений температуры размещается термочувствительный элемент. В цепь измерения напряжения добавляется напряжение, равное этой поправке.
Метрологические характеристики термоэлектрических преоб-
разователей приведены в ГОСТ 6616–94 и ГОСТ Р 8.585–2001.
Номинальная статическая характеристика НСХ преобразования
определяется типом применяемой термопары и обозначается буквой, например: ТПП 10 (S), ТХК (L). Здесь ТПП 10 и ТХК — обозначение типов термопар; S и L — буквенное обозначение НСХ.
Таблица 5
29
Диапазоны измерений и пределы допускаемых отклонений
вхвых
21
2
U
RR
R
U
ТЭДС от НСХ для наиболее широко применяемых в Российской
Федерации термоэлектрических преобразователей от НСХ приведены в табл. 5. Зависимости ТЭДС от температуры нелинейны
и имеют достаточно сложный характер и описываются полиномами больших (до девятой) степеней.
3.3. Аналоговые преобразователи в цифровых средствах
измерений
Измеряемая величина (давление или температура) сначала
преобразуется в электрический сигнал, значение которого может
быть различным. Перед поступлением в аналого-цифровой преобразователь этот сигнал преобразуется в напряжение постоянного тока, которое должно находиться в требуемом диапазоне.
Аналоговые масштабные преобразователи напряжения в
цифровых средствах измерений выполняются в виде делителей
напряжения или с использованием операционных усилителей.
Схема делителя напряжения приведена на рис. 3.6а. Коэффициент деления определяется отношением сопротивлений входящих
в него резисторов. Выходное напряжение U
вых
. (3.3)
Усилители специального типа, называемые операционными
усилителями, характеризуются высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением и изменяющимся в широких пределах коэффициентом усиления по напряжению. Коэффициент усиления можно устанавливать внешними резисторами.
Условное графическое обозначение операционного усилителя
приведено на рис. 3.6б.
Операционный усилитель имеет два входа. Верхний вход называется инвертирующим входом и обозначен знаком (–). Второй
вход называется неинвертирующим входом и обозначен знаком (+).
Операционный усилитель почти никогда не используется сам
по себе. Обычно к нему добавляются два резистора: входной рези-
стор Rвх и резистор обратной связи Rос, как показано на рис. 3.6в.
Общее определение операционного усилителя приведено в
ГОСТ 18421–93 «Аналоговая и аналого-цифровая вычислительная техника. Термины и определения»: «Операционный усили-
30
тель — усилитель электрических сигналов, предназначенный для
вх
ос
R
R
K
U
вх
вх
ос
вых
U
R
R
U
б
выполнения различных операций над аналоговыми переменными
при работе в схеме с обратной связью».
а в
Рис. 3.6. Масштабное преобразование напряжения:
а — делитель напряжения; б — условное обозначение операционного
усилителя; в — схема преобразователя напряжения
При использовании инвертирующего входа, как показано на
рис. 3.6в, коэффициент усиления по напряжению КU такого усилителя определяется по формуле
. (3.4)
Напряжение на выходе усилителя
. (3.5)
Аналоговое преобразование активного сопротивления в на-
пряжение постоянного тока необходимо при измерении температуры с помощью термопреобразователей сопротивления. В цифровых средствах измерений наиболее широко применяются аналоговые преобразователи с использованием генератора стабильного тока. Схема преобразователя приведена на рис. 3.7а.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]