Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые средства измерений давления и температуры. Учебное пособие
.pdf
61
системе управления, воспринимающей выходной сигнал преобразователя, что в свою очередь приводит к увеличению погрешности. Кроме того, для передачи измерительной информации
фактически используются два «лишних» устройства: ЦАП средства измерения и АЦП в системе управления.
Это одна из причин, в силу которых в настоящее время все
более широко применяются полностью цифровые коммуникационные системы. Примером таких систем являются цифровые сети, выполненные на основе протокола FOUNDATION Fieldbus.
Цифровая сеть FOUNDATION Fieldbus. Первая версия
протокола FOUNDATION Fieldbus вышла в 1996 г. Так же как
HART-протокол, FOUNDATION Fieldbus является «открытым».
Цифровая сеть включает два уровня: H1 со скоростью передачи данных 31,25 кбит/с для сбора данных и управления технологическими процессами и высокоскоростную сеть Ethernet (High
speed Ethernet) 100 Мбит/c c использованием шлюзов (интерфейсов) для связи с уровнем Н1.
Структура сети FOUNDATION Fieldbus приведена на рис. 4.8.
Непосредственно в технологическом процессе участвует цифровая
сеть уровня Н1. Устройства, входящие в промышленную сеть
FOUNDATION Fieldbus, могут получать питание непосредственно
по полевой шине Fieldbus и работать с использованием кабельных
соединений, ранее применявшихся для устройств 4…20 мА, однако на практике чаще используются специальные кабели, оптимизированные для передачи цифровых сигналов.
На рис. 4.9 приведен пример сегмента сети Н1 Fieldbus. Каждый сегмент может содержать до 32 устройств. Допустимое количество устройств зависит от потребляемой мощности каждого
устройства, типа применяемого кабеля и т.д. Общая длина магистрали и ответвлений не более 1900 м. Длина ответвления от 1 до
120 м. Для увеличения длины устанавливают ретрансляторы.
Передающие устройства подают сигнал до 10 мА со скоростью 31,25 кбит/с на эквивалентную нагрузку 50 Ом для создания
амплитуды сигнала до 1,0 В, модулированного в верхней части
напряжения питания (см. рис. 4.10). Устройства Fieldbus с питанием от шины потребляют от 10 до 30 мА постоянного тока.
Напряжение питания может принимать значение в диапазоне
от 9 до 32 В.
62
Рис. 4.8. Структура сети FOUNDATION Fieldbus
Соединительная коробка
Для защиты сигналов от искажений на концах каждого сег-
мента располагаются терминаторы (ограничители). Терминатор
также преобразует токовый сигнал, передаваемый одним устройством, в сигнал напряжения, который может быть получен всеми
Рис. 4.9. Сегмент сети Н1 Fieldbus
63
устройствами сети. Емкость рассчитана для пропускания сигнала
а
б
15–20 мА
0,75–1,0 В
9–32 В
I, мА
U, мВ
31,25 кбит/с.
Рис. 4.10. Сигнал Fieldbus: а — ток; б — напряжение
Сигнал Fieldbus кодируется с использованием манчестерской
L-двухфазной технологии. Сигнал называется «синхроннопоследовательным», потому что информация синхронизации
вложена в последовательность потока данных. Данные объединяются с тактовыми сигналами для создания сигнала Fieldbus.
Приемник сигналов Fieldbus интерпретирует положительный
переход в средней части периода прохождения бита как логический «0», а отрицательный как логическую «1» (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Манчестерское кодирование
64
Сегменты могут объединяться посредством ретрансляторов
Устройства Fieldbus
для формирования более протяженных сетей (см. рис. 4.12).
Ретрансляторы обеспечивают возможность увеличивать число
устройств в сети максимально до 210 устройств.
Рис. 4.12. Объединение сегментов сети Н1 Fieldbus
Отличительной чертой технологии FOUNDATION Fieldbus
является обеспечение непосредственной связи между полевыми
устройствами. Каждое устройство, подключенное к шине, может
обмениваться информацией с другими устройствами на шине непосредственно, т.е. без необходимости передачи сигналов через
систему управления.
Поскольку данные одних полевых устройств могут служить
входными параметрами для других полевых устройств, а в микропроцессорах «интеллектуальных» устройств могут быть записаны программы управления, задачи управления могут быть переданы приборам, подключенным к полевой шине, без участия
системы управления. Даже в том случае, если некоторые блоки
системы управления внезапно прекратят функционирование, независимые сегменты Fieldbus могут продолжать свои собственные программы управления.
Особенностью FOUNDATION Fieldbus является также то, что
этот протокол позволяет изготовителям за счет наличия в
FOUNDATION Fieldbus специального программного обеспечения
встраивать в свои средства измерений различные функциональные возможности, которые отличают их от аналогичных изделий
конкурирующих фирм. Эти средства могут передавать свои уни-
65
кальные данные в систему, используя программное «описание
устройства» (Device Description–DD).
Беспроводные сети. Снижение потребления энергии электронными устройствами и появление автономных источников
питания с большим сроком службы привели к возможности разработки и практического использования систем и средств измерений для беспроводного обмена информацией. Такую цифровую
сеть можно разделить на два уровня: полевой уровень (беспроводный) и сеть управления (обычно реализуется на базе проводных технологий). На полевом уровне датчики беспроводной сети
собирают и передают информацию о технологическом процессе
беспроводному шлюзу. Беспроводной шлюз включен в сеть
управления предприятия и организует передачу информации в
системы верхнего уровня.
Большинство беспроводных измерительных средств измерений требуют наличия прямой видимости между ними и шлюзом
для передачи информации. Интеллектуальные беспроводные сети
(SmartWireless) выполнены по принципу самоогранизующейся
сети. Использование систем с распределенным интеллектом позволяет создавать самоорганизующиеся сети, в которых средства
измерений взаимодействуют друг с другом. Каждый датчик сети
является ретранслятором данных для остальных датчиков сети
(рис. 4.13).
Рис. 4.13. Самоорганизующаяся беспроводная сеть
66
В такой сети для каждого средства измерения имеется в на-
личии нескольких независимых путей передачи информации, при
этом выбор маршрута производится автоматически. За счет этого
обеспечивается достаточно высокая надежность (более 99 %) передачи информации.
Допускается одновременная работа нескольких беспровод-
ных сетей. В этом случае каждый шлюз будет контролировать
только подключенные к его сети датчики.
Беспроводные технологии не заменяют проводные HART и
FOUNDATION Fieldbus, а дополняют их. В настоящее время беспроводная связь используется в информационных измерительных
системах. Передача наиболее ответственной измерительной информации в системах управления производится по проводам.
В 2007 г. был принят международный стандарт беспроводной
связи WirelessHART. Прием и передача данных в беспроводной
сети осуществляются по радиосигналу на рабочей частоте
2,4…2,5 ГГц с использованием широкополосной модуляции и автоматической псевдослучайной перестройки частоты. Эти методы улучшают помехозащищенность радиоканала.
WirelessHART является надстройкой проводного HART-
протокола и использует аналогичные структуры команд. Для работы с беспроводными датчиками не требуется дополнительного
оборудования и программного обеспечения. Первоначальная запись кода подключения и сетевого идентификатора в полевое
устройство проводится с помощью HART-коммуникатора или
HART-модема. В дальнейшем изменение этих параметров возможно с персонального компьютера, подключенного к беспроводному шлюзу.
WirelessHART использует технологию распределения досту-
па с временным разделением каналов. Каждый участник сети передает сигнал в точно назначенное время и на заранее определенной частоте. Это позволяет обеспечить высокую надежность передачи, а также экономию батарейного питания путем уменьшения времени, в течение которого датчик передает сигнал.
В качестве полевых устройств используются микропроцес-
сорные датчики, поддерживающие HART-протокол для настройки и диагностики. По радиоканалу может передаваться до 4 основных переменных техпроцесса. Время обновления переменных
задается вручную и может принимать значения в диапазоне от 8 с
67
до 60 мин. Каждый беспроводной датчик может иметь свое время
обновления, отличное от других устройств сети, в зависимости от
конкретного применения.
Питание беспроводных датчиков осуществляется от искробезопасных литиевых-тионилхлоридных батарей питания. Ресурс
батареи зависит от типа датчика и от времени обновления переменных. Срок эксплуатации 4…6 лет при температуре окружающей среды от –40 до +80 ºС и периодичности передачи данных
1 мин.
5. НОРМИРУЕМЫЕ
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
5.1. Метрологические характеристики цифровых средств
измерений
В соответствии с ГОСТ 8.009–84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» у средств измерений нормируются следующие характеристики:
характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки);
характеристики основной погрешности;
характеристики чувствительности к влияющим величинам;
динамические характеристики;
характеристики, отражающие способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие
взаимодействия средств измерений с любым из подключенных к
его входу или выходу компонентов (объект измерений, средство
измерений и т. д.);
неинформативные параметры выходного сигнала.
К характеристикам, предназначенным для определения ре-
зультатов измерений, у цифровых средств относятся функция
преобразования, вид выходного кода, единица младшего разряда,
число разрядов кода, разрешающая способность.
ГОСТ 8.009–84 предусматривает возможность как раздельного нормирования составляющих основной погрешности, так и
нормирования основной погрешности без разделения на составляющие.
Составляющими основной погрешности Δ0 цифровых
средств измерений в общем случае являются:
68
систематическая составляющая основной погрешности Δ0s;
о
Δ
32/q
P0
1212
σ
3
2
2
0
2
0
2
0
0
q
H
К
s
рР
случайная погрешность, характеризуемая среднеквадратиче-
ским отклонением (СКО) σ0;
вариация H0;
погрешность квантования 0,5q.
При раздельном нормировании составляющих основной по-
грешности указываются предельные значения систематической
составляющей Δ
H0. СКО случайной погрешности σ0 принимается равным 0,5
, СКО случайной погрешности σ0 и вариации
0
s
.
Как уже указывалось в главе 1, при оценке суммарной по-
грешности средства измерений принято считать погрешность
квантования случайной, распределенной по закону равной плот-
ности, с СКО, равным
новной погрешности
. Поэтому граничные значения ос-
с некоторой доверительной вероятно-
стью Р при допущении о равномерном законе распределении вероятности для основной погрешности и вариации вычисляются
по формуле
. (5.1)
Здесь КP — коэффициент, зависящий от доверительной веро-
ятности оценки погрешности.
При нормировании предела основной погрешности Δ0Р до-
пускается также нормировать предельное значение вариации H0.
Допускается также нормировать границы интервала, в кото-
ром находится основная погрешность с заданной вероятностью ± Δ0Р.
Согласно ГОСТ 14014–91 у электроизмерительных цифровых
приборов допускается нормировать основную погрешность без
разделения на составляющие в тех случаях, когда при неизменном входном сигнале на отсчетном устройстве наблюдается не
более 3 цифр.
Характеристиками чувствительности к влияющим вели-
чинам цифровых средств измерений могут быть функции влияния и изменения значений метрологических характеристик, вызванные изменениями влияющих величин в установленных пределах (дополнительные погрешности).
69
В большинстве случаев нормируются предельные значения
дополнительных погрешностей. Дополнительные погрешности
нормируются раздельно для каждой влияющей величины.
Динамические характеристики. Динамическая погреш-
ность обусловлена реакцией средства измерений на скорость или
частоту изменения входного сигнала. Эта составляющая погрешности зависит от динамических свойств средства измерений и
скорости изменения измеряемой величины.
К динамическим характеристикам, присущим именно цифровым средствам измерений, ГОСТ 8.009 относит также погреш-
ность датирования отсчета.
Возникновение погрешности датирования отсчета связано с
самим принципом работы наиболее часто применяемых в средствах измерений аналого-цифровых преобразователей двойного
(двухтактного) интегрирования (см. § 3.4). Измерение происходит в течение некоторого конкретного промежутка времени. При
этом фактически измеряется некоторое среднее значение входного сигнала за интервал времени интегрирования входного напряжения. Цифровое значение на выходе из АЦП формируется лишь
после окончания всего цикла преобразования.
На практике погрешность, возникающая при измерении переменных величин, часто в большей степени определяется не
собственно динамическими характеристиками средства измерений, а интервалом (шагом) дискретизации по времени, т.е. частотой опроса.
Результат измерения представляет собой не непрерывную
функцию, а конечный набор чисел, который отражает процесс с
каким-то приближением. Возникающая при этом погрешность
называется погрешностью восстановления. Значение погрешности восстановления зависит от способа аппроксимации функции по результатам дискретных измерений (рис. 5.1).
При прямоугольной аппроксимации (рис. 5.1а) значение измеряемой величины x принимается неизменным в течение всего
следующего цикла измерений Δτ. При трапецеидальной аппроксимации (рис. 5.1б) изменение измеряемой величины в течение
цикла измерений Δτ принимается линейным. Такая аппроксимация позволяет значительно, в несколько раз, уменьшить погрешность восстановления. Но проведение трапецеидальной аппроксимации возможно только после завершения не одного, а двух
циклов измерения.
70
а
б
Рис. 5.1. Восстановление функции x = f(τ)
по результатам дискретных измерений:
а — при прямоугольной аппроксимации;
б — при трапецеидальной аппроксимации;
∆τ — период дискретизации; Δxд — погрешность восстановления
Характеристики, отражающие способность влиять на ин-
струментальную составляющую погрешности измерений
вследствие взаимодействия средств измерений с любым из подключенных к его входу или выходу компонентов (объект измерений, средство измерений и т.д.), нормируют, как правило, путем
введения требований к входным и выходным электрическим цепям (входного и выходного импеданса).
5.2. Метрологические характеристики цифровых средств
измерений давления
Номинальная статическая характеристика преобразова-
ния (НСХ) у средств измерений давления — линейная, у
средств измерений перепада давления — линейная или квадратичная.
Диапазон измерений. У средств измерений давления указы-
ваются верхний р
и нижний р
max
пределы измерения.
min
У средств измерений перепада давления верхний предел измерений Δр
. В современных измерительных преобразователях
max
обеспечивается возможность изменения ширины диапазона изме-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]