Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые средства измерений давления и температуры. Учебное пособие
.pdf
41
Отсюда
0
C
U
U
TТ
X
X
maxC
N
N
T
T
XX
.N
U
U
N
X
X max
0
н
UtkUU
X
TXU0 = TCUX.
Таким образом, длительность снижения напряжения на выходе ИУ и длительность повышения напряжения на выходе ИУ
TC = τ2 – τ1 связаны соотношением
.
В свою очередь
.
Число импульсов NX пропорционально преобразуемому напряжению UX:
(3.18)
Достоинством АЦП двойного интегрирования является его
помехоустойчивость к периодическим помехам, действующим на
его входе. Наиболее распространенные наводки на входные цепи
имеют низшую частоту, равную частоте сети питания (50 Гц).
Интервал интегрирования ТС выбирается кратным периоду сети
питания (20 мс). Для повышения помехоустойчивости применяют
автоподстройку интервала ТС к действительному значению периода сети питания.
Частотно-импульсные АЦП. Преобразование напряжения
в частоту следования импульсов. Структурная схема аналого-
вого преобразователя напряжения в частоту импульсов приведена
на рис. 3.17.
Начиная с некоторого времени на один из входов интегрирующего усилителя ИУ подается преобразуемое напряжение UX.
При линейном законе возрастания выходное напряжение
усилителя U
, (3.19)
где k — коэффициент пропорциональности; Uн — начальное значение напряжения.
42
а б
X
kU
UU
Т
нп
1
const
2к
ТU
)(
к X
UU
.ТkUТUkТUUkUU
XX 222
)()(
ккнп
X
kU
UUТUk
Т
)()(
нпк 2
2
.
U
ТU
kU
UUТUk
kU
UU
ТТТ
XXX
X
)()()(
22
21
кнпкнп
Рис. 3.17. Структурная схема преобразователя напряжения
в частоту следования импульсов (а) и временная диаграмма его работы (б)
За период времени T1 выходное напряжение усилителя U
увеличивается от некоторого начального значения Uн до порогового значения Uп, при котором срабатывает сравнивающее уст-
ройство СУ. Длительность периода Т1
.
В этот момент времени сравнивающее устройство запускает
генератор опорного импульса ГОИ, который вырабатывает импульс напряжением UК, имеющий полярность, противоположную
преобразуемому напряжению, и по абсолютному значению превосходящий U. Импульс удовлетворяет условию
.
На вход ИУ поступает отрицательное напряжение
Напряжение на его выходе снижается. Изменение выходного напряжения интегрирующего суммирующего усилителя за время t2
Отсюда
.
Период прохождения импульсов
.
43
Частота импульсов
const)(
1
221 к
XX
X
U
ТU
U
ТТ
f
X
X
X
fT
T
T
N
0
0
. (3.20)
Частота прохождения импульсов fX пропорциональна преобразуемому напряжению UX.
Преобразование частоты прохождения импульсов в цифровой код. Структурная схема квантователя частоты приведена
на рис. 3.18.
Сигнал преобразуемой частоты fX поступает на вход схемы
совпадений С, на второй вход которой поступают импульсы
опорной длительности Т0, вырабатываемые генератором опорных
интервалов времени ГОИВ. Схема совпадений пропускает импульсы частоты fX в течение времени Т0.
Число импульсов, зарегистрированное счетчиком СТ,
. (3.21)
Таким образом, число импульсов, зарегистрированное счетчиком импульсов NX, пропорционально частоте fX.
При этом так же, как и при квантовании интервала времени,
возникает погрешность квантования. Для снижения погрешности
квантования производится синхронизация начала интервала Т0 с
импульсами частоты fX.
а б
Рис. 3.18. Структурная схема квантователя частоты (а)
и временная диаграмма его работы (б)
3.5. Микропроцессорные устройства
Микропроцессорное устройство (МПУ) включает в себя микропроцессор (МП), оперативное запоминающее устройство
44
(ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и устройства
ввода и вывода данных (УВВ).
Схема микропроцессорного устройства представлена на
рис. 3.19. В ОЗУ помещается информация в процессе ее обработки. В процессе выполнения программы старая информация в ОЗУ
может заменяться новой, причем для записи и считывания доступна любая отдельная ячейка. Поэтому оперативные запоминающие устройства называют также памятью с произвольной
выборкой (от английского Random Asses Memory – RAM).
ПЗУ предназначено для хранения и считывания информации,
которая не изменяется в процессе работы системы. В ПЗУ хранятся управляющие программы, табличные значения различных
функций, исходные данные, необходимые для обработки информации, и полученные результаты. В отличие от ОЗУ при отключении питания информация в ПЗУ сохраняется. Хранение информации в ПЗУ энергонезависимо. Когда необходимо периодически менять информацию, используют перепрограммируемые
постоянные запоминающие устройства ППЗУ.
В иностранной технической литературе аббревиатура для
ПЗУ–ROM (Read-Only Memory — память только для считывания).
УВВ обеспечивает связь микропроцессорного устройства с
внешними устройствами. МП, ОЗУ, ПЗУ и УВВ соединяются между собой наборами проводников, которые называются шинами.
Рис. 3.19. Схема микропроцессорного устройства
Основной, центральной, частью микропроцессорного устрой-
ства является микропроцессор. Микропроцессор — устройство
для обработки и управления, работающее под управлением программы. Как правило, микропроцессор выполняется из одной,
45
редко из нескольких интегральных схем. Микропроцессоры, выполненные на одной микросхеме, называются однокристальными.
На рис. 3.20 приведена схема микропроцессора. В состав микропроцессора входят операционное устройство ОУ и устройство
управления УУ. Основными элементами операционного устройства являются арифметическо-логическое устройство АЛУ и блок
внутренних регистров БВР. Микропроцессор имеет внутреннюю
шинную организацию, которая переходит во внешние шины.
Устройство управления УУ служит для координации и синхронизации работы всех элементов микропроцессора — АЛУ,
БВР и др. УУ формирует внутренние сигналы управления в соответствии с кодом операции.
Арифметическо-логическое устройство АЛУ служит для выполнения простых арифметических операций «сложение–вычитание», пересылок типа «регистр–регистр», «регистр–память», «регистр–внешнее устройство», различных сдвиговых операций и
операций булевой алгебры — реализации функций: И, ИЛИ, исключающего ИЛИ, инверсии.
Рис. 3.20. Схема микропроцессора
Блок внутренних регистров БВР включает в себя:
регистры общего назначения, которые представляют собой
быструю (сверхоперативную память) и служат для временного
хранения адресов и данных;
регистры-аккумуляторы для хранения результатов арифметических операций;
46
буферные регистры для хранения слова, выданного из памя-
ти, с которой работает АЛУ;
счетчики команд, которые содержат адрес следующей по пе-
риодичности команды;
регистр команд, который принимает и хранит код очередной
операции;
регистр адреса для хранения адреса слова, находящегося во
внутренней или во внешней памяти.
К шине данных, имеющей разрядность самого МП, подклю-
чаются все внешние устройства: ПЗУ, ОЗУ, УВВ. Шина данных
является двунаправленной, как частично и шина управления. По
шине адреса передаются от МП адреса соответствующих внешних устройств.
Общий принцип функционирования микропроцессорного
устройства заключается в следующем. Из микропроцессора на
шину адреса выдается адрес очередной команды. Считанная по
этому адресу команда из памяти (например, из ПЗУ) поступает на
шину данных и принимается микропроцессором, где она выполняется. Если данные, участвующие в выполнении операции, предусмотренной этой командой, хранятся не во внутренних регистрах микропроцессора, а в ОЗУ или ПЗУ, то организуется их вызов в микропроцессор. Это осуществляется выдачей из микропроцессора адреса данных и сигнала чтения в соответствующую
управляющую цепь.
Неотъемлемой частью микропроцессорного средства измере-
ния является его программное обеспечение (ПО). Программное
обеспечение вносит погрешность в результаты измерений. Источниками такой погрешности являются:
неудачный выбор алгоритмов вычислений и их неустойчи-
вость;
накопление погрешности округления на промежуточных эта-
пах вычислений;
использование при вычислениях конечных сумм вместо бес-
конечных рядов;
программные сбои;
искажения при передаче, обработке и представлении измери-
тельной информации.
Снижение погрешности, возникающей за счет округления ре-
зультатов вычислений и использования конечных сумм, обеспечивается, в том числе, и аппаратными средствами – увеличением
47
разрядности микропроцессорного устройства. В современных
цифровых средствах измерений давления и температуры, имеющих пределы допускаемой основной приведенной погрешности в
несколько сотых процента, используются 32-разрядные микропроцессоры. Число разрядов ЦАП 16. При цифроаналоговом преобразовании происходит округление результата вычислений.
Часть программного обеспечения, непосредственно отвечающая за точность получаемых результатов измерения, подлежит
метрологическому контролю. В структуре ПО выделяются программные модули, подпрограммы, процедуры и т.д., реализующие
ПО, подлежащее метрологическому контролю и не подлежащее
контролю без нарушения требования соответствия ПО утвержденному типу. Разделение может проводиться на низком уровне — в
рамках программы, и на высоком уровне — на уровне операционной системы. При этом только определенные программы выполняют функции, подлежащие метрологическому контролю.
Погрешность, вносимая программным обеспечением, оценивается в процессе его аттестации. Методы оценки погрешности,
вносимой ПО, могут включать в себя:
разработку эталонного (высокоточного) ПО;
разработку (генерацию) эталонных данных;
сличение ПО с утвержденным программным продуктом (эталонным ПО);
использование в качестве эталонного ПО универсальных
программных пакетов.
Программное обеспечение должно быть защищено от сбоев и
изменений. При возникновении сбоев пользователь должен быть
извещен об этом. При невозможности обозначения и (или) устранения сбоя программа должна предусматривать аварийное завершение работы с записью этого события при последующем запуске.
Программное обеспечение и данные, подлежащие метрологическому контролю, должны быть защищены от случайных и
непреднамеренных изменений. Изменения программного обеспечения и данных должны становиться очевидными за короткий
интервал времени.
Современное программное обеспечение предусматривает
проведение диагностики средства измерения в процессе эксплуатации с выдачей соответствующего информационного сообщения
о неисправности.
48
4. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЦИФРОВЫЕ СЕТИ
Термин «интеллектуальные» (от латинского «intellektus» —
познание, понимание, рассудок) относится к средствам измерений, в состав которых входит микропроцессорное устройство.
В англоязычной технической литературе для этих средств измерений используется термин «smart» — умный, находчивый.
Отличием интеллектуальных средств измерений от простых
микропроцессорных является то, что в этих средствах более широко используются возможности микропроцессорных устройств.
Эти средства обладают рядом принципиально новых эксплутационных свойств, а также позволили резко, почти на порядок, повысить точность измерений.
Повышение точности аналоговых средств измерения ограни-
чивается нелинейностью и различием характеристик конкретных
экземпляров чувствительных элементов. При этом возникает погрешность адекватности, которая вызвана отличием реальной характеристики преобразования от выбранной и реализованной
функциональной зависимости. Если зависимость принимается
линейной, то эта погрешность называется погрешностью линейности или просто нелинейностью.
На рис. 4.1 иллюстрируется возникновение погрешности не-
линейности. На этом рисунке приведен пример аппроксимации реальной статической характеристики преобразования (например,
преобразования измеряемого давления в токовый выходной сигнал) линейной зависимостью. Погрешность линейности (±Δ) — это
отличие реальной функции преобразования Y = f(X) от линейной.
Погрешность адекватности в значительной степени вызвана
нелинейностью характеристик конструктивных составляющих
средства измерений, прежде всего чувствительного элемента в
средствах измерений давления, в средствах измерений температуры — отличием реальной статической характеристики преобразования от номинальной. При этом характеристики одинаковых
по своей конструкции чувствительных элементов имеют тем не
менее определенные различия. В силу этого снижение погрешности адекватности у аналоговых средств измерений представляется весьма сложной задачей, которая может быть решена практически только за счет совершенствования характеристик чувствительных элементов.
49
Рис. 4.1. Погрешность линейности (нелинейность)
Наличие микропроцессорных устройств в интеллектуальных
средствах измерений позволяет учитывать как нелинейность, так
и индивидуальные особенности используемых чувствительных
элементов. В процессе производства определяется реальная статическая характеристика преобразования конкретного образца
средства измерений в нескольких точках диапазона измерений.
Эта характеристика описывается какой-либо функциональной зависимостью или представляется в виде таблицы, которые заносятся в память микропроцессорного устройства.
Основная погрешность такого средства измерений (reference
accuracy — эталонная точность) складывается из погрешности используемых эталонных средств, случайной погрешности самого
средства измерений и погрешности аппроксимации экспериментально определенной статической характеристики преобразования.
Если пределы допускаемой основной приведенной погрешности аналоговых преобразователей давления после проведения
настройки (юстировки), как правило, не менее ±0,2…0,25 %, то у
современных интеллектуальных преобразователей давления эти
пределы составляют ±0,025…0,075 %. При этом нелинейность
характеристики чувствительного элемента (мембраны) практически не оказывает влияния на погрешность. Большее значение для
повышения точности имеет снижение гистерезиса мембраны,
приводящего к вариации.
У интеллектуальных средств измерений давления не только
повышается точность, но и расширяется диапазон измерения.
Обеспечивается изменение верхнего предела измерений (перестройка шкалы) по аналоговому выходному сигналу 10:1. Дина-
50
мический диапазон (отношение верхнего предела измерений к
нижнему) по цифровому выходному сигналу 100:1, у наиболее
совершенных преобразователей перепада давления, предназначенных для применения в расходомерах, основанных на методе
переменного перепада давления, 200:1.
Для обеспечения высокой точности измерений температуры
необходимо учитывать индивидуальные статические характеристики (ИСХ) термопреобразователей. При использовании номинальных статических характеристик (НСХ) возможность снижения погрешности измерений ограничена допускаемыми стандартами отклонениями от номинальной характеристики. Например,
допускаемое отклонение при температуре 150 °С для термопреобразователей (термометров) сопротивления класса допуска А
согласно ГОСТ Р 8.625–2006 составляет ±0,45 °С, класса допуска
АА ±0,35 °С. Применение в комплекте с таким термопреобразователем прибора или измерительного преобразователя с пределами допускаемой основной абсолютной погрешности менее
±(0,3..0,4) °С не имеет большого смысла, так как это не приводит
к реальному повышению точности измерений температуры.
В то же время при использовании современных эталонных
средств стандартная неопределенность экспериментального определения сопротивления термопреобразователя, выраженная в
единицах температуры, для условий приведенного выше примера
(при 150 °С) составляет 0,03 °С. С учетом погрешности аппроксимации полученных данных математической зависимостью погрешность индивидуальной статической характеристики ИСХ
находится в пределах ±0,1 °С. Если индивидуальная статическая
характеристика термопреобразователя заносится в память микропроцессорного средства измерений, становится обоснованным
использование вторичного средства измерений температуры с
пределами основной допускаемой абсолютной погрешности
±0,1 °С.
Дополнительные погрешности интеллектуальных средств
измерений, вызванные изменением влияющих величин (прежде
всего температуры окружающего воздуха), также могут быть
сведены к минимуму за счет учета экспериментально определенной при производстве для каждого конкретного средства измерений функции влияния, которая закладывается в память микропроцессорного устройства. При этом дополнительная погреш-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]