Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
А.А. САЧЕННО акхмильчЕнно В. В. КОЧАН
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДАТЧИКАМИ СО ВСТРОЕННЫМИ КАЛИБРАТОРАМИ
БИБЛИОТЕКА
_ ПО
АВТОМАТИКЕ
Выпуск 661
А. САЧЕНКО
Ю. МИЛЬЧЕНКО
В. КОЧАН
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДАТЧИКАМИ СО ВСТРОЕННЫМИ КАЛИБРАТОРАМИ
ББК
УДК 681.586’36
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
Г. Т. Артамонов, А. А. Воронов, Л. М. Закс, В. К. Левин, В. С. Малов, В. Э. Низе, Д. А. Поспелов, И. В. Прангишви- ли, Ф. Е. Темников, Ю. М. Черкасов, Г. М. Уланов
Рецензент А. А. Поскачей
Саченко А. А. и др.
С 22 Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами/ А. А. Саченко, В. Ю. Миль- ченко, В. В. Кочан.—М.: Энергоатомиздат, 1986.— 96 с.: ил.— (Б-ка по автоматике; Вып. 661)
Рассмотрены принципы конструирования и расчета калибраторов температуры и построения схем измерительных преобразователей температуры с автоматическим калиброванием измерительного канала. Приведены структурные схемы устройств, обеспечивающих проведение процесса калибрования в аналоговых и цифровых приборах. Дано описание схем автоматических потенциометров постоянного тока, цифровых приборов и измерительных систем повышенной точности.
Для инженерно-технических работников в области автоматики и измерительной техники.
_ 2404000000-348
С051(01)-86269-86ББК 32.965
ПРЕДИСЛОВИЕ
Температура является одним из важнейших параметров многих технологических процессов современного производства, а точность температурных измерений в значительной степени влияет на технико-экономические показатели производства и качества выпускаемой продукции.
Во многих отраслях современной технологии: химии, машиностроении, авиации, электронной промышленности, металлургии и др. — требования к точности измерения температуры чрезвычайно высоки и не могут быть достигнуты при применении выпускаемых в настоящее время промышленностью средств измерений и датчиков. Так, например, термообработка алюминиевых и магниевых конструкционных и литейных сплавов происходит в диапазоне 300—550 °C с допустимыми отклонениями температуры ±3°С; для конструкционных легированных сталей эти процессы идут в диапазоне 700—1100 °C с допускаемыми отклонениями ±10 °C; широко распространенные процессы закалки инструмента из легированных инструментальных сталей требуют стабилизации температуры в пределах ±5 °C в диапазоне 1000—1200 °C. Температура разливки ряда современных легированных стилей составляем 1400—1500 °C с допускаемым отклонением ±5 °C; при производстве ферритов необходимо поддерживать температуру в пределах ±1°С в диапазоне 1000—1100 °C, а при производстве интегральных микросхем — даже ±0,5 °C в диапазоне 900—1300 °C.
При этом промышленные печи и термоагрегаты как объекты управления характеризуются большими постоянными времени, технологическими циклами, протекающими при постоянных температурах, значительными геометрическими размерами рабочего пространства печи, несоизмеримыми с размерами и массой датчиков температуры.
Несмотря на все многообразие существующих в настоящее время методов и средств измерения температуры наибольшее распространение в промышленности получили контактные методы. Основу парка средств измерений любого промышленного предприятия составляют автоматические потенциометры, милливольтметры и мосты, работающие в комплекте с термоэлектрическими преобразователями и термопреобразователями сопротивления. В указанных условиях доминирующей погрешностью измерения температуры является инструментальная погрешность измерительного комплекта [43].
Потребности производства вызвали в последние годы увеличение числа научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, направленных на повышение точности технических измерений температуры, т. е. измерений, осуществляемых в условиях технологических процессов. При этом значительная их часть была направлена на повышение метрологических характеристик вторичной измерительной аппаратуры, в частности на разработку и применение цифровых измерительных преобразователей и систем.
В настоящее время многие зарубежные фирмы выпускают различные типы цифровых измерительных преобразователей температуры — от простых переносных термометров с батарейным питанием до сложных систем сбора информации на базе микропроцессоров и микро-ЭВМ [40, 48]. Использование в этих системах современных аналого-цифровых преобразователей позволило значительно уменьшить погрешность измерения выходного сигнала датчика температуры. Цифровые термометры и автоматизированные системы для измерения температуры выпускаются и в нашей стране [21, 33, 37].
В многочисленных публикациях и патентной литературе широко представлены различные варианты построения аналоговых, цифровых и программных средств линеаризации и масштабирования сигналов, разрабатываемых или выпускаемых цифровых термометров [13, 40, 48]. Однако предпринятая в этих приборах и системах замена традиционных аналоговых приборов на более точные аналого-цифровые измерительные преобразователи с устройствами линеаризации не позволила повысить точность измерения температуры в целом. Это обусловлено тем, что вследствие ряда ограничений технологического и экономического характера выпускаемые в настоящее время серийно промышленные датчики температуры имеют значительный первоначальный разброс градуировочных характеристик и малую временную стабильность в условиях эксплуатации [16, 27, 28, 30]. Так, например, допускаемая погрешность наиболее широко применяемых в промышленности датчиков температуры — термоэлектрических преобразователей из неблагородных металлов — составляет не менее 1%, что примерно в 2 раза больше допускаемых отклонений для многих технологических процессов в промышленности и почти в 10 раз больше допускаемой погрешности современных аналого-цифровых преобразователей напряжения постоянного тока. Проводимые длительное время работы по изысканию новых материалов для датчиков температуры, совершенствование технологии их производства, разработка конструкций защитной арматуры не привели пока к существенному повышению метрологических характеристик датчиков.
Необходимо отметить, что и возможности общесоюзной поверочной схемы для средств измерения температуры в диапазоне от 0 до 1200 °C йе в полной мере соответствуют потребностям современного производства; предел допускаемой абсолютной погрешности для термоэлектричес- 4
кйх преобразователей из неблагородных металлов в диапазоне б—1800 6С из-за большого числа ступеней поверочной схемы составляет 1,5— 15,0 °C, что явно недостаточно для многих технических применений [15, 22].
В то же время сокращение числа ступеней поверочной схемы за счет организации поверки термоэлектрических преобразователей из неблагородных металлов по реперным точкам при плавлении (кристаллизации) чистых металлов [44] неосуществимо из-за термоэлектрической неоднородности их термоэлектродов. Как начальная, так и приобретенная в процессе эксплуатации термоэлектрического преобразователя термоэлектрическая неоднородность приводит к тому, что его термо-ЭДС зависит не только от разности температуры между рабочим и свободными концами, но и от распределения температуры между ними [25]. Наличие неоднородности электродов термоэлектрического преобразователя ведет к неопределенности его индивидуальной градуировочной характеристики и вызывает значительные погрешности измерения температуры, многократно превосходящие допускаемые погрешности как цифровых, так и аналоговых вторичных приборов [42].
Таким образом, в проблеме повышения точности технических измерений температуры контактными методами наметилась в определенной степени тупиковая ситуация, когда дальнейшее снижение погрешности вторичной аппаратуры нецелесообразно, а погрешности первичных датчиков не могут быть уменьшены из-за ограничений технологического, экономического и метрологического характера.
Наиболее эффективно указанное противоречие может быть разрешено применением для повышения точности температурных измерений структурных методов. Сущность применения этих методов в термомет-. рии заключается в том, что используются обычные датчики, обладающие значительным первоначальным разбросом градуировочных характеристик и малой временной стабильностью, но в состав вторичной аппаратуры вносятся структурно-избыточные элементы, с помощью которых в процессе измерений обеспечивается автоматическая коррекция погрешностей датчиков. Такая коррекция основывается на применении встроенных в защитную арматуру датчиков калибраторов температуры [3—11, 19, 29, 33, 38]. Калибратор, являющийся сложной многофазовой системой, содержит несколько элементов из чистых металлов и позволяет в режиме нормального функционирования воспроизводить в зоне чувствительного элемента датчика несколько точно известных значений температуры. Для уменьшения постоянной времени датчика калибратор температуры может выполняться съемным и устанавливаться только на период калибрования.
Это направление повышения точности измерения температуры является наиболее эффективным средством разрешения рассмотренного выше противоречия между высокой точностью вторичной измерительной аппаратуры и значительными погрешностями датчиков. Эффективность
указанного подхода базируемся на следующих основных факторах:
используются обычные, серийно выпускаемые датчики температуры; резко уменьшается число ступеней при передаче единицы измерения температуры; поверка датчиков осуществляется по реперным точкам при температурах фазовых переходов чистых металлов;
датчики калибруются в температурном поле эксплуатации, поэтому термоэлектрическая неоднородность их термоэлектродов не оказывает влияния на точность поверки;
* поверке подвергается не только датчик, но и линия связи, а в ряде случаев и вторичная аппаратура.
Идентификация моментов фазового перехода реперных материалов калибратора, определение погрешности датчика или всего измерительного канала в заданной точке диапазона измерения, формирование в процессе измерений корректирующих поправок осуществляются в таких приборах за счет дополнительных структурно-избыточных элементов, входящих в состав измерительной цепи прибора [29].
Таким образом, указанный метод повышения точности температурных измерений следует рассматривать как структурный, и в соответствии с принятой классификацией [17] он может быть определен как метод «образцовых сигналов», '
Цель настоящей книги заключается в том, чтобы привлечь внимание широкого круга специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией контактных средств измерения температуры, к возможностям и методологии применения в термометрии структурных методов повышения точности и ознакомить их с достигнутыми практическими результатами в этой области. Материал книги является в основном оригинальным и получен в результате экспериментальных исследований, опытной проверки и обобщения опыта разработки схем устройств для точного измерения температуры, которые на протяжении ряда лет проводились под руководством и при непосредственном участии авторов. Вместе с тем авторы старались осмыслить и активно использовать ба гатый опыт известных отечественных ученых как в области термометрии (А. Н. Гордов, М. П. Орлова, Б. И. Стаднык и др.), так и в области построения измерительных устройств и систем с коррекцией погрешностей (Т. М. Алиев, М. А. Земельман, Ш. Ю. Исмаилов, П. П. Орнат- ский, Б. Н. Петров, Ю. М. Туз, М. П. Цапенко, Е. Г. Шрамков и др.).
В гл. 1 книги рассмотрены конструкции калибраторов температуры в составе защитной арматуры промышленных датчиков температуры, выполнен анализ нестационарного теплообмена в симметричных структурах с фазовыми переходами, которые образуют основу тепловых схем калибраторов, приведена методика расчета геометрических параметров калибраторов с применением ЭВМ.
В гл. 2 рассмотрены структурный синтез средств измерения температуры с автоматической коррекцией погрешностей датчиков на основе метода образцовых сигналов, а также дан анализ их инструменталь- 6
ных и методических погрешностей. Здесь же рассмотрены вопросы схемотехники устройств идентификации момента фазового перехода калибратора температуры и устройств автоматической коррекции погрешностей измерительного канала по результатам калибрования в аналоговых и цифровых измерительных преобразователях.
В гл. 3 описаны измерительные системы, аналоговые и цифровые приборы, в которых существенное повышение точности измерения достигнуто за счет калибрования и автоматической коррекции погрешностей измерительного канала.
Авторы выражают глубокую благодарность заслуженному деятелю науки и техники УССР д-ру техн, наук, проф. Б. И. Блажкевйчу за ряд ценных рекомендаций при обсуждении материала, изложенного в данной книге.
Книга, по всей вероятности,'не свободна от недостатков. Поэтому авторы будут весьма признательны за критические замечания, пожелания и советы, направленные на улучшение ее содержания.
Авторы
Глава первая
КАЛИБРАТОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ
Конструкции калибраторов
Температура как физическая величина не обладает свойством аддитивности, поэтому меру температуры, подобно тому как это делается с электрическими величинами, создать нельзя. Тем не менее существуют различные устройства, позволяющие воспроизводить эталонные значения температуры с достаточно большой точностью. Во всех этих устройствах используется постоянство температуры фазового перехода чистых металлов.
Так как чистые металлы характеризуются постоянными и фиксированными температурами плавления (затвердевания), в печи можно получить точные или так называемые реперные значения температур, например: олова 231,9 °C, свинца 327,3 °C, цинка 419,5 °C, алюминия 660,1 °C, серебра 960,8 °C, меди 1083,0 °C. Если металл нагреть или охладить до температуры фазового перехода, то эта температура остается постоянной на протяжении - определенного времени до момента полного расплавления или затвердевания металла. На графической зависимости температуры от времени такой эффект изображается параллельной оси времени площадкой (плато). Благодаря этому чистые металлы, температура плавления которых точно известна, можно использовать как эталоны для определения погрешности измерения температуры и введения необходимой поправки. Например, при поверке термоэлектрических преобразователей (ТП) методом малого погружения [44] небольшую навеску чистого металла расплавляют в графитовом тигле с помощью индукционной печи, а температуру, соответствующую затвердеванию этого металла, считают реперной.
В более современном конструктивном оформлении устройство для воспроизведения реперной температуры представляет собой герметичную ячейку [47] в виде заполненного чистым металлом графитового цилиндрического тигля с герметичной пробкой. Пространство между металлом и пробкой с целью исключения загрязнения заполнено инертным газом (аргоном). Поверяемый преобразователь располагается в графитовом колодце, что исключает его непосредственный контакт с металлом. Плавление металла достигается за счет индукционного нагрева. Ячейка позволяет многократно воспроизводить реперное значение температуры с высокой точностью.
Для однократной поверки ТП на месте эксплуатации (в одной точке температурного диапазона) его несваренный рабочий конец обер-
ТЫбйЮт фольгой или Проволокой из чистого металла с известной температурой плавления [46]. Для каждой *гочки температурного диапазона используется определенный металл. В момент расплавления металла и разрыва контактов между термоэлектродами термоэлектрического преобразователя измерительный прибор фиксирует максимальное значение термо-ЭДС термопреобразователя, соответствующее температуре плавления. Ввиду того что в этом случае реперный металл находится в прямом контакте с термоэлектродами термопреобразователя, к его чистоте предъявляются повышенные требования.
Рис. 1.2. Зависимость температуры от времениРис. 1.2. Зависимость температуры от времени
Рис. 1.2. Зависимость температуры от времени
Рис. 1.2. Зависимость температуры от времени
Рис. 1.1. Конструкция датчика со встроенным калибратором
Учитывая, что в ряде случаев (космические исследования, объекты с ограниченным доступом) датчики нельзя снимать для поверки, особый интерес представляют датчики со встроенными калибраторами.
Первый, так называемый самокалибрующийся, датчик температуры, со встроенным калибратором (рис. 1.1) был запатентован в СЩА [45]. Он содержал защитный чехол /, термопару 2, защитный электроизоляционный материал 3 и реперный материал 4. Чувствительный элемент датчика находился в непосредственном тепловом контакте с реперным материалом. Во время фазового перехода реперного материала по показанию подключенного к выходу температурного датчика узкопредельного регистрирующего прибора фиксировалось температурное плато 1 (рис. 1.2), что и использовалось для определения погрешности датчика при температуре фазового перехода.
Для исключения химического взаимодействия реперного материала 4 с чехлом 1 и термопарой 2 (см. рис. 1.1) они должны быть покрыты высокотемпературным защитным слоем, имеющим достаточно малое тепловое сопротивление. Кроме того, материал, покрывающий поверхность термопары в зоне погружения в реперный материал, должен быть также и электрическим изолятором. Существуют конструкции датчиков температуры со встроенными калибраторами, в которых термопара отделена от реперного материала специальным чехлом 1 (рис. 1.3,а, б) или слоем прессованного графита 2 (рис. 1.3,в). Не-
Рис. 1.3. Конструкция датчиков со встроенным калибраторомРис. 1.3. Конструкция датчиков со встроенным калибраторомРис. 1.4. Конструкция многозначного калибратора температурыРис. 1.4. Конструкция многозначного калибратора температурыРис. 1.5. Конструкция быстросъемного калибратора температуры
Рис. 1.3. Конструкция датчиков со встроенным калибратором
Рис. 1.3. Конструкция датчиков со встроенным калибратором
Рис. 1.4. Конструкция многозначного калибратора температуры
Рис. 1.4. Конструкция многозначного калибратора температуры
сколько позднее была предложена конструктивная схема многозначного калибратора температуры [46], обеспечивающая формирование в зоне расположения рабочего конца датчика нескольких значений температуры. Предлагалось располагать по периметру цилиндрического графитового стержня 5 (рис. 1.4) с запрессованным электрического преобразователя 2 несколько
рабочим концом термовставок 4 из разных рерабочим концом термовставок 4 из разных реперных металлов. Указанная конструкция располагалась в защитном
рабочим концом термовставок 4 из разных ре
рабочим концом термовставок 4 из разных ре
чехле /, отделенном от термоэлектродов ТП изолятором 3. Предпола
гается, что при плавлении вставок 4 температура графитового стержня стабилизируется, что и используется для калибрования ТП. Однако автор [46] не приводит каких-либо теоретических или расчетных до-
казательств фиксации заданных значений температуры в процессе функционирования устройства, а тем более равенства этих значений температурам фазовых переходов вставок. В то же время обеспечение такого соответствия в описанной конструктивной схеме совсем неочевидно. Поэтому данные предложения следует считать скорее постановкой задачи, чем ее решением.
Все многообразие условий применения калибраторов температуры в промышленной практике условно может быть разбито на две группы: 1) объекты эксплуатации, на которых возможен демонтаж датчика температуры с объекта измерения без нарушения нормального функционирования технологического оборудования; 2) объекты, на которых демонтаж датчика с работающего технологического оборудования осуществить нельзя. К объектам первой группы относятся широко применяемые в различных областях промышленности печи сопротивления: камерные, шахтные, трубные, рециркуляционные закалочные агрегаты, ванны и т. д., ко второй — вакуумные печи, термоагрегаты с защитной газовой атмосферой, автоклавы, а также любое термическое оборудование, в процессе функционирования которого не может быть по соображениям техники безопасности нарушена герметичность. Такое разделение условий применения калибраторов связано с тем, что постоянное пребывание калибратора в составе конструкции датчика температуры совершенно необязательно — он необходим только в режиме калибрования для создания реперного значения температуры. Поэтому в тех случаях, когда датчик может быть демонтирован с объекта измерения, калибратор температуры удобно выполнять в виде легкосъемного элемента конструкции датчика, устанавливаемого лишь на период калибрования измерительного канала. Один из вариантов конструкции съемного калибратора температуры приведен на рис. 1.5. Рабочий конец ТП 1 приварен к корпусу конической переходной втулки 2, отделенной от защитного чехла преобразователя 3 теплоизолирующей втулкой 4. Непосредственно калибратор содержит корпус 5, реперный металл 6 и приемный узел 7 с внутренней резьбой для соединения на время калибрования калибратора с чувствительным элементом преобразователя. Теплопередача в процессе фазового перехода реперного металла 6 осу* ществляется через конические поверхности.
При необходимости реперный металл может быть заменен через крышку 8. В процессе поверки калибраторы с различными температурами плавления последовательно устанавливаются на калибруемый термоэлектрический преобразователь.
Эта конструкция калибратора имеет следующие преимущества по сравнению с описанными ранее аналогами:
калибратор закрепляется на поверяемом преобразователе только на время поверки, он не подвергается длительному воздействию температур эксплуатации, что резко повышает стабильность и воспроизводимость значений температуры;
возможна автономная аттестация калибраторов с применением образцовых средств;
постоянная времени и масса калибратора не оказывают влияния на динамические характеристики преобразователя температуры в режиме измерения;
отсутствует теплообмен между реперным металлом и внешним корпусом преобразователя, что могло бы исказить форму температурного плато при фазовом переходе;
для обеспечения поверки большого числа преобразователей температуры достаточно небольшого комплекта из нескольких калибраторов, нет необходимости оснащать каждый преобразователь встроенным калибратором;
Рис. 1.6. Конструкция калибратора температуры в виде: а — цилиндра; б — шара; в — пластины
возможно калибрование (поверка) измерительного канала во многих точках достаточно широкого диапазона за счет последовательной установки калибраторов с различными температурами фазового перехода.
В случаях, когда демонтаж датчика с объекта измерения затруднен, может быть использована конструктивная схема калибратора в виде симметричного многослойного тела (шара, цилиндра, многослойной пластины), в котором между слоями чистых металлов с известными температурами плавления размещается тугоплавкий металл [4].
Возможные конструктивные схемы такого калибратора приведены на рис. 1.6,а—в, где Л, В, С — слои чистых металлов, N— оболочка. В процессе фазового перехода любого из слоев чистых металлов температура границы раздела фаз будет постоянной, а теплопередача между внешней средой и частью калибратора, охваченной границей фазового перехода, отсутствует. Поэтому спустя некоторый промежуток времени, в течение которого будет происходить выравнивание температур слоев, в центре калибратора установится постоянная и равная температуре фазового перехода реперного металла температура, кото- 12
рая и может быть использована для калибрования датчика. В отличие от всех ранее описанных конструкций в данном калибраторе возможно последовательное воспроизведение нескольких известных значений температуры. Калибратор легко может быть встроен в защитную арматуру датчика температуры, и в процессе нормального функционирования без демонтажа с объекта измерения он обеспечивает его калибрование в нескольких точках температурного диапазона.
Анализ процесса теплообмена в многослойном калибраторе
Рассмотрим процесс теплообмена в технологически наиболее простом калибраторе температуры, выполненном в виде многослойной пластины (рис. 1.7). Чувствительный элемент датчика температуры располагается в центре пластины в слое D. Слои чистых металлов Д, В, С и разделяющие их оболочки N из тугоплавкого металла имеют приближающийся к идеальному тепловой контакт, т. е. выполняются граничные условия четвертого рода [34].
Для осуществления калибрования необходимо, чтобы в процессе фазовых переходов слоев А, В, С на некоторое время Тд, Тв, Тс, по оси слоя D установились постоянные значения температуры, равные температуре фазового перехода соответствующего слоя. Пусть наименьшую температуру фазового перехода имеет слой В.
Рассмотрим процесс нагрева калибратора в печи, наполненной га
зом, при лучистом и конвективном теплообмене поверхности калибратора с окружающей средой. Предположим, что в начальный момент времени калибратор находится в тепловом равновесии с окружающей средой при температуре ^ср<ТПлв, где ТПлв — температура фазового перехода (плавления) слоя В. Пусть слои А, С и D также находятся
в твердой фазе.
Тепловым сопротивлением оболочек N между слоями Д, В, С можно пренебречь, так как
Sn/Xn^^Xa—Хв) /Ха; Sn/Xn^(Xb—Хс) /Хв, где S^— толщина слоя оболочки; хА, Хв, хс—координаты внешней поверхности слоев А, В и С; ХА, Хв, Xn — коэффициенты теплопроводности металлов слоев Д, В и перемычки N.
Считаем, что на границе поверхность калибратора — окружающая сре- ца происходит конвективный теплообмен с граничными условиями третьего
Рис. 1.7. Схема процесса теплопередачи в многослойной пластине
рода [34]. Температура окружающей среды (спокойный газ) изменяется по линейному закону. Наличие лучистого теплообмена поверхности калибратора со стенками печи учтем через суммарный коэффициент теплоотдачи ап с поверхности калибратора:
Он — ак-|~ а л, где ак — коэффициент конвективного теплообмена; ал— коэффициент теплообмена излучением.
Коэффициент ал может быть определен по известной формуле [34] X л = 5,67е [ (ФСР /100)4— (Тд /100)4] / (Фс Р-Тл),(1.1)
где Фер — температура окружающей среды; Тд — температура поверхности калибратора; е — степень черноты пластины.
Так как площадь поверхности стен печи значительно больше площади поверхности калибратора, примем, что е пластины равна степени черноты поверхности калибратора (для стали е=0,8) [26].
Таким образом, теплообмен калибратора с окружающей средой происходит при следующих условиях: начальном
TA^xt(1.2)
граничных
дТ(х = 0, т)/дх = 0;
дТ I о.з)
где хд — координата поверхности калибратора; хА> хв — координаты разделяющих поверхностей (см. рис. 1.7); Т— температура; т — время: дФСр/дт=b — скорость изменения температуры окружающей среды; ХА— эквивалентный коэффициент теплопроводности слоя А.
Запишем дифференциальные уравнения теплообмена:
дТДх, х) /дх=аА(д2ТА(х, т)/дх2) (т>0, хв<х<хАу1 (1.5)
ЭТв^х, х^/дх-аДд^Т^х, х)/дх2) (т>0, хс<х<хву (1.6) где аА> ав — коэффициенты температуропроводности слоев А и В. В связи с тем что процесс теплообмена сопровождается фазовым переходом слоя В, дополним граничные условия (1.3), (1.4) условием теплового баланса на границе раздела фаз:
—&АдТА(х, хИдх-^ХвдТв(х, х) /дх=Ьв]в(дХр/дх), (1.7) где хр — координата границы раздела фаз (при т=0 хр=хву LB— удельная теплота фазового перехода слоя В; jB — плотность слоя В. Для конкретизации начальных условий (1.2) воспользуемся извест-
йЫм решением задачи нагрева пластины с граничными условиями третьего рода при линейном изменении температуры окружающей среды [34].
При т-^оо
Т (х, 0) ~Т0=Ьт-Ь [хл2 (l-j-2/В,) -хР2] /2ад,(1.8)
где В» = аиХл/Х8Кв — критерий Био;
ХэКВ =—•
^А^А + ^в/^Б + $с/\? + ^d/^D
где 6д, дв, 6с, 6d — толщины слоев Д, В, С, D соответственно; F^ ^ах/хл2— критерий Фурье (безразмерный параметр времени); а — наименьшее значение коэффициентов температуропроводности слоев Д, В, С, В; Т^Фсро— первоначальное значение температуры слоев калибратора и окружающей среды.
С учетом (1.4) имеем
ТПлВ-Г==6тпяг-Ь[ха2(1^^х^хв. (1.9)
Подставив (1.9) в (1.8), получим
Т(х, ^-ТииВ=Ь<х2-Хр^/2аА.(1.10)
Если учесть, что толщина зоны плавления мала по сравнению с геометрическими размерами калибраторов, то можно сделать допущение, что температура зоны, во-первых, одинакова вдоль координаты х щ во-вторых, равна температуре плавления ТПпв. Это допущение позволяет упростить описание процессов теплообмена в калибраторе. В результате уравнением (1.6) можно пренебречь, а условие (1.7) принимает вид
—Хвтв [дТ (х, т) /дх^ =LBjB (дхр/дх).
Введя начальные условия (1.10) в (1.5), сформулируем задачу теплообмена в критериальной форме:
dO/dfo-d20/(№^(1.11)
д8/^|- , = Bl (9 -»ср - ЬР^ |7=1 ;(1.12)
(хр. fe)=0;(1.13)
d6/dx-_-= — W^XpjdFo).(1.14)
х"хр
где 9= (Г—Тиав) /Тилв — параметр температуры; х=х/хА — параметр толщины; Хр=Хр1хл — параметр координаты границы раздела фаз; Б — =Ьха2(алТппв — параметр скорости нагрева; №=Ьв1в/Са1аТПлв; Са — теплоемкость слоя Д; )а — плотность слоя А.
Преобразуем уравнение (1.11) по Лапласу [20]:
Д1дх»—Я + (b/p^—Хра)/2] -0.(1.15)
15
Решение уравнения (1.15) будем искать как сумму общего и частного решений:
'б = с1ехр( — К^х) + с2 ехр(Крх) + (7/р)[Ц2—хр2)/2]—&//?.
(1-16)
Постоянные Ci и с2 найдем из граничных условий (1.12), (1.13):
Cjexpt — VTH" VT +Sf) + f2 exp(/F)(|/7 + Sf) =
= -BiUb/plV^-^m-b/p^-bjp+B^; (1.17) Cyexp^—VpXp) + c2 exp(|/Fxp) — "b]p = 0,(1-18)
откуда
c1 = №.p(V""p ~p7b]P— c2exp (|//Tx^)].(1.19)
Подставив (1.19) в (1.17), получим
С2 ^VF^BiA-VT') —
—exp^tXp — W/pHBt— VF) — Mp\„ nn
-*-;>-7=7=‘(1.20)
— ехр(2Уp xp — Fp Hbi — Vp )
Для определения производной по (1.14) подставим (1.19) и (1.20) в (1.16):
(<?9/дх) I- = —l/Teiexp(—VFx"p) +УГр‘с2ехр(^хр) + р
-VbXp[p=lc2expVV pXp^W — b,VF Л-bXp/p. (1.21)
Преобразуем знаменатель (1.20):
exp V‘F(Bt-vV^‘p)—exp^Vp"x^—V7^Bl—Vp") =
= VF exp(P<7^)[exp(|/F‘—V?^) + exp(—|/F + ИрхД] +
+ Bi exp(|/Fxp)[exp(|/7"— VTxp)— exp( — VF +^xp)] =
*=2exp(iV7xp)(Vp"ehtV7^ — x^n +Btsh\V7 (.' —xp)]}. (1.22) В соответствии с предельным переходом преобразования Лапласа [20] предел изображения при р~^0 равен пределу оригинала при Fq-^oo.
Разложив гиперболические функции при р-^0
ch[/7(l-^)]^l; shd/^Cl-rp)]^!/^!-^) (1.23) и подставив их значения в (1.22), получим
2ехр^рхр)^/^"ch\V7(1 — хр)] + Bt sh lV7(1 — xp)]} =
= 2exp(|/7^j/7[l + Bl(l-7p)].(1.24)
Для рассматриваемых технологических объектов скорость нагрева среды составляет 6^0,15 град/с. При геометрических размерах калибратора хд^ЫО-3 м, ап=50 Вт/(м2трад) критерий Био составит В^ ^10-3-7-10~4. Поэтому в (1.21) и (1.24) этими значениями можно пренебречь.
Из .(1.8) определяем температуру среды (в момент начала фазового перехода):
фср(т=0)=7плв+Ь[хд2(1+2/В0^^(1.25)
С учетом того, что параметр температуры среды
Оср =|0’ср/р-)-^/Р2’
и подставив (1.20) в (1.21), с учетом (1.22) и (1.23) получим
(^W)l-- = в^ + в^ср^+^р, х-хр или в оригиналах
(д6/д7)|--. ==в^0 + в^ср~Т + ^
х-хр
Подставив (1.18) в (1.14), получим
B[bF0 + В^ср -^ + Ьхр - W(dxp/dF0).(1.26)
Решением дифференциального уравнения (1.26) является выражение
хр = ехр( -"b^W)^ - 1 + В^ср/Ь-В^/Ь\ -
- В^ - - В^ср/ b+ 1 - B^fb.(1.27)
В размерном виде (1.27) имеет вид
хР = ехр (Ьт//Плв) [хв—Хд4ап(^ср—Тплв) /CAjAb^LBjBan/(СА]А)Щ —
апТ/ CAjA—ап (О’ср—Тплв^ /CAjAb-^-XA—anLBjB/(CAjA)^b.(1.28)
Аналогичным образом может быть найдено аналитическое решение для определения координаты границы фазового перехода или времени плавления слоя при заданных координатах для калибраторов в форме цилиндра или шара. Приведем без вывода выражение для определения времени плавления слоя в цилиндрическом калибраторе в размерном виде:
(1-29)
где Ra — радиус калибратора; RB — координата начала границы плавления; Rc — координата конца границы плавления.
Для оценки методической погрешности калибрования цилиндрического калибратора, обусловленной различаем температуры в центре системы и на границе раздела фаз,? воспользуемся решением дифферен-
2—507417
ЦйальйОго уравнения нагрева бесконечного цйлиндра с граничными условиями первого рода [26]
ОО
6 = 2 WwJexpt —H„=F0), (1.30) /2 = 1
где An=a/yinJi(vinY1 Jo(pin)=0; г — радиус цилиндра; Ро=авт/Нв2— критерий Фурье; Jo, Ji — функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков; ^"кпРв, здесь ки — вещественные корни характеристического уравнения, образующего члены ряда вида (1.30), зависящие от значения критерия Био; в = ТИлв—Т(г, т)—параметр температуры, причем
Т(г, т^—Тплв—9(Тплв—TqY
Для конкретизации начальных условий Т\т==0=Т0 воспользуемся решением дифференциального уравнения нагрева бесконечного цилиндра в среде с линейно меняющейся температурой [12].
Для регулярного режима градиент температуры в цилиндре составит
А7 = Т|г=1-Т|,=0^6^/2а5.
При предельных скоростях нагрева до 6=0,2 К/с, радиусе RB — = 0,01 м и наружном корпусе калибратора из стали а^Ю-10~6 м2/с перепад температуры в калибраторе составит АТ^1 К.
Из (1.30) [12] следует, что при Fo>O,B для центра цилиндра (г— = 0) 6<0,01. С учетом численной оценки для М=ТИлв—То значение 6 является пренебрежимо малым по сравнению с погрешностью воспроизведения температуры фазового перехода технически чистых металлов [14].
Отметим, что такое малое отличие температуры в центре системы для указанных выше оценок геометрических параметров калибратора наступит через время т=р0Кв2/ав=8 с.
Одновременно численная оценка выражений (1.28) и (1.29) показывает, что время фазового перехода удовлетворяет условию т>120ч- 130 с при толщинах слоев реперного материала 6<1 мм. Таким образом, практически достижимо выполнение калибраторов с числом слоев до десяти и более, что сравнимо с числом известных технически чистых металлов, которые по технологическим соображениям можно использовать в калибраторах температуры.
Определение геометрических параметров калибраторов
Несмотря на сравнительную) простоту полученных в § 1.2 расчетных соотношений непосредственное определение геометрических параметров многослойных калибраторов по формулам (1.28) или (1.29) затруднено. Для обеспечения геометрической замкнутости конструкции 18
расчет калибратора следует начинать с первого внутреннего слоя. Вместе с тем для вычисления температуры среды по формуле (1.25) необходимо знать координату Хд, определяющую толщину всех слоев калибратора. Поэтому в начальной фазе расчета значение хд принимается приближенно.
По найденной температуре среды в момент начала фазового перехода по (1.1) определяется значение коэффициента теплообмена излучением между средой и поверхностью калибратора ап. При этом значение координаты внешней поверхности калибратора необходимо знать и при вычислении температуры поверхности Та, которая также входит в (1.1). В результате возникает итерационный цикл счета, при котором вычисленные толщины слоев корректируются до совпадения заданного и фактического значений хд на очередном шаге цикла. Поэтому численное моделирование многослойных калибраторов целесообразно осуществлять с помощью ЭВМ.
В приложении приведена схема программы, входящей в состав пакета прикладных программ и предназначенной для определения геометрических параметров многослойного калибратора при заданных значениях времени протекания фазовых переходов. С помощью этого пакета программ возможен также расчет времени протекания фазовых переходов при заданных (например, из технологических соображений) толщинах слоев для трех типов калибраторов: в виде многослойной пластины, цилиндра и шара.
Таблица 1.1
Форма калибратора
Толщина слоя, мм
Время плавления, с
олова1
свинца9
| цинка8
0,5
60
51
389
Пластина
1
35
75
460
2
120
110
500
0,5
101
70
500
Цилиндр
1
143
103
543
2
202
151
590
0,5
35
40
418
Шар
1
50
59
426
2
71
86
434
1 Температура плавления 232 °C; плотность 7300 кг/м3; коэффициент теплопроводности 66,72 Вт/(м-К); удельная теплоемкость фазового перехода 16,2 Вт/(кг-К).
2 Температура плавления 327,5 °C; плотность 11 350 кг/м3; коэффициент теплопроводности 35,0 Вт/(м • К); удельная теплоемкость фазового перехода 6,7 Вт/(кг-К).
3 Температура плавления 419,6 °C; плртность 7100 кг/м3; коэффициент теплопроводности ' 109 Вт/(м-К); удельная теплоемкость фазового перехода 28 Вт/(кг-К).
Рис. 1.8. Конструкция двухслойного цилиндрического калибратора
Моделировались три варианта (пластина, цилиндр, шар) трехслойного калибратора. В качестве реперных слоев в расчетах были приняты олово, свинец и цинк, в качестве разделяющих слоев — никель.
В процессе расчета на основе заданных толщин слоев калибратора определялось время фазового перехода каждого из слоев в режиме плавления.
Распечатки результатов расчета при толщине слоев 0,5; 1 и 2 мм приведены в табл. 1.1.
Проведенный численный анализ показывает, что приемлемые с конструктивной точки зрения временные промежутки постоянства температуры (в пределах 30—60 с) можно получить при весьма малых толщинах плавящихся слоев и небольших геометрических размерах калибраторов.
Для экспериментальной проверки достоверности полученных расчетных соотношений, определяющих время фазового перехода слоев калибратора при заданных геометрических параметрах, использован опытный образец двухслойного цилиндрического калибратора, конструкция которого приведена на рис. 1.8.
Плавящиеся слои калибратора выполнялись из олова и свинца, разделительные цилиндры —из стали Х18Н10Т.
Фактическая масса свинца и олова определялась взвешиванием калибратора, после чего пересчитывалась условная толщина слоя реперного материала применительно к принятой расчетной схеме.
В центральной части калибратора устанавливался термоэлектрический преобразователь градуировки хромель — алюмель с диаметром тер- моэлектрода 0,5 мм. Для измерения и регистрации термо-ЭДС использовался аналого-цифровой преобразователь Ф4833 класса точности 0,15/0,05. Измерения проводились на пределе 20 мВ с разрешающей способностью 1 мкВ.
Результаты измерения регистрировались цифропечатающим устройством Щ68000К с интервалом 1 с. Нагрев калибратора осуществлялся в печи сопротивления в спокойном воздухе при скорости нагрева 3,5°С/мин; экспериментальные и расчетные значения времени постоянства температуры приведены в табл. 1.2.
Полученная разница между расчетными и экспериментальными данными в пределах 5 % может быть объяснена погрешностями уста- 20
новкй центрального цилиндра в калибраторе, отличиями фактических и расчетных значений коэффициента теплоотдачи с поверхности калибратора, а также влиянием теплоотвода через термоэлектроды ТП.
В целом эксперимент показывает удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных, что позволяет использовать упомянутый пакет прикладных программ для расчетного моделирования геометрических параметров многослойных калибраторов температуры.
Проведенные исследования показали, что наиболее приспособленными к массовому производству являются технологические процессы изготовления многослойных калибраторов, приведенные ниже.
Таблица 1.2
Реперный материал
Толщина слоя, мм
Скорость нагрева, °С/ч
Температура плавления, °C
Время плавления, с
Относительная погрешность, %
фактическое
расчетное
Олово
1,1
247,3
231,2
408
428,5
5
Свинец
0,86
194,4
327,3
210
222,6
6
Вариант 1:
лужение никелевой или медной фольги в расплавах чистых металлов; толщина покрытия — до 0,5—0,7 мм;
подготовка заготовок на многопозиционных вырубных штампах;
сварка заготовок в пакет по схеме «многослойная пластина» на роликовых сварочных машинах с толщиной сварочного шва в пределах 0,8—1,2 мм;
запрессовка рабочего конца термоэлектрического преобразователя диаметром 0,5—0,7 мм.
Вариант 2:
последовательное гальваническое осаждение слоев чистых металлов и разделяющих их слоев никеля на медную или стальную трубку (толщина реперных металлов — до 150 мкм, никеля — до 50 мкм);
запрессовка или напайка (твердым припоем) рабочего конца термоэлектрического преобразователя диаметром 0,5—0,7 мм.
Вариант 3:
двустороннее лужение фольги из термоэлектродных материалов (хромель — алюмель, медь — константан и др.) чистыми металлами;
подготовка заготовок на многопозиционных вырубных штампах;
сварка калибратора по конструкции многослойной пластины на роликовых сварочных машинах либо сварка завальцованных краев фольги;
сварка или пайка термоэлектродов с выводами фольги из термоэлектродных материалов.
Глава вторая
СХЕМОТЕХНИКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЬ!
С АВТОМАТИЧЕСКИМ КАЛИБРОВАНИЕМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ
Реализация метода образцовых сигналов с помощью калибраторов температуры
Одним из наиболее распространенных методов коррекции погрешности измерительных преобразователей является метод образцовых сигналов [17]. В общем виде он основан на том, что на вход измерительного (Преобразователя периодически вместо преобразуемой величины подключается образцовый сигнал того же рода, что и преобразуемая величина. Полученное в результате преобразования образцового входного сигнала действительное значение выходного сигнала сравнивается с его номинальным значением, найденная разность запоминается и в дальнейшем используется для автоматической коррекции погрешности преобразователя.
При реализации метода образцовых сигналов в устройствах для измерения температуры образцовыми входными величинами являются значения температуры фазовых переходов реперных материалов многослойного температурного калибратора. Номинальная функция преобразования преобразователя температуры fn^T) определяется выражением
т
(2.1)
где Г —текущее значение измеряемой температуры; aHt — коэффициенты разложения номинальной функции преобразования, причем I— = 1, ..., т.
В связи с тем что измерение сопровождается некоторой погрешностью, действительная функция преобразования
п
г^к(Т) = ^ал{Т!,(2.2)
Z=1
где ад1 — коэффициенты разложения действительной функции преобразования.
Устройство коррекции погрешности измерительного преобразователя должно обеспечить достижение равенства
Z=ZH-^pz,(2.3)
где pz^fz^T)—функция преобразования устройства коррекции.
С учетом (2.1) — (2.3) можно записать пmп
9г = МП = 2 aRtT= -2 ан1П = 2 b^Ti" (2-4) z=oz=oz—о
Коэффициенты разложения функции преобразования устройства коррекции
Ьк1=аД1—-ат при п>т.(2.5)
В процессе калибрования на вход измерительного преобразователя поступают образцовые сигналы температуры Тр/, определяемые значениями температуры фазовых переходов реперных материалов калибратора. Выходные сигналы преобразователя 2Д/ сравниваются с номинальными значениями 2Н/, определяемыми через номинальную функцию преобразования:
2н/=ЫГР/).(2.6)
В результате этого формируется массив погрешностей
А/вых=^д/—^н/,(2.7)
где / = 1, ..., / — число точек калибрования.
Показатели Ь^ полинома, аппроксимирующего номинальную функцию преобразования устройства коррекции, определяются на основе решения системы уравнений
2 ^к^^р! = АВых(Тр1); t=i
п
(28)(28)(2.9)(2.9)5j ЬК1Т1р!= Двых(7ру)»
(28)
(28)
(2.9)
(2.9)
1=1п
2 ^к^'р/= *~Авых(Тр/), £=1
Решением системы (2.8) будет выражение [20]
1 Тр1...Т^1-Двих(Тр1)
* 7’р/...Г‘-1-Двых(Гр/)
1 Тр/... Т^1 —Двых(Тр2) т^-.т^
1
1 Тр/-^/"-^/
1 Гр;TpZ7^z
В процессе последующих измерений корректирующее значение ZH вычисляется при подстановке измеренных значений входной величины Т в (2.4) и суммируется с выходным сигналом преобразователя в соответствии с (2.3). Таким образом, для повышения точности температурных измерений методом образцовых сигналов в составе измерительных преобразователей необходимо реализовать пять основных функций:
воспроизвести с помощью температурного калибратора несколЩ ко образцовых значений температуры на основе процессов фазового перехода реперных материалов;
в процессе непрерывного изменения температуры объекта измерения идентифицировать моменты фазовых переходов реперных материалов, например на основе анализа выходного сигнала первичного преобразователя;
сформировать массив погрешностей в соответствии с (2.7) и обеспечить их хранение в оперативном запоминающем устройстве;
Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема измерительного преобразова теля с автоматическим калиброванием измерительного канала
вычислить в соответствии с (2.9) значения коэффициентов разложения bKi корректирующего полинома и обеспечить их долговременное хранение в энергонезависимом запоминающем устройстве;
в процессе измерений вычислять в каждом цикле преобразования значения корректирующего полинома (2.4) и суммировать их с выходным сигналом преобразователя в соответствии с (2.3).
Обобщенная структурная схема измерительного преобразователя температуры с автоматическим калиброванием измерительного канала, в которой реализуются указанные выше функции, представлена на рис. 2.1. В процессе калибрования оператор переводит объект измерения в режим постоянного нагрева или охлаждения. Во время фазового перехода реперного материала калибратора температуры выходной сигнал датчика Д остается постоянным, что фиксируется устройством идентификации фазового перехода ИФП, на выходе которого формируется сигнал управления устройством коррекции УК Формирование поправки. В наиболее общем виде устройство коррекции содержит источник образцовых сигналов ИОС, устройство вычитания УВ, устрой-
ство аппроксимации УЛ, представляющее собой специализированный вычислитель для решения системы уравнений (2.8) в соответствии с (2.9). В устройство коррекции входят также долговременное запоминающее устройство ЗУ и блок коррекции БК. В качестве последнего должен быть применен специализированный вычислитель для определения значений р2 в соответствии с алгоритмом (2.4). По сигналу управления Формирование поправки на входы устройства вычитания УВ поступают выходной сигнал промежуточного измерительного преобразователя ПрИП 7д/ и образцовый сигнал Хн/, формируемый источником образцового сигнала И ОС в соответствии со значением ТР/ и номинальной функцией преобразования. Разность этих сигналов, соответствующая погрешности измерительного канала Авых/ в точке ТР/, запоминается в устройстве аппроксимации УА. После записи всех значений погрешностей Авых/ в соответствии с количеством точек калибрования устройство аппроксимации УА находит массив коэффициентов Ькь После запоминания этих коэффициентов в ЗУ режим «Калибрование» заканчивается. •
В режиме «Измерение» блок коррекции БК по коэффициентам аппроксимирующего полинома Ьки хранящимся в запоминающем устройстве ЗУ, вычисляет значение функции поправок ZK при данном значении выходной величины Хд. После суммирования значений Z^ и ZK в сумматоре См на его выходе формируется скорректированное значение выходной величины Z'H, поступающее на устройство индикации и регистрации Р.
Рассмотрим более подробно структурную реализацию функции вычисления коэффициентов и формирования значений корректирующего полинома. Хотя система уравнений (2.8) и матрицы (2.9) записаны относительно входной величины Т, аналогичные выражения совместно с полиномом коррекции (2.4) могут быть записаны относительно любых промежуточной и выходной величин измерительного преобразователя. Связь между промежуточной и входной велйчинами осуществляется через соответствующую функцию или коэффициент прямого преобразования. Соответственно коррекция погрешности может осуществляться как по выходной, так и по любой из промежуточных величин. В зависимости от того, какая из величин используется в качестве аргумента при записи выражения для полинома коррекции, в блоке коррекции необходимо предусматривать цепь соответствующего прямого или обратного преобразования.
Полный набор вариантов задания функции коррекции и корректирующих воздействий применительно к обозначениям схемы на рис. 2.1 представлен в табл. 2.1. В этой таблице отсутствует коррекция по входной величине Т в связи с тем, что температура как физическая величина не обладает свойством аддитивности и коррекция по ней невозможна. Различные варианты построения схем коррекции в соответствии с табл. 2.1- отражены в структурной схеме на рис. 2.2. Хотя фор-
мы записи уравнений коррекции формально равнозначны, практическая реализация разных вариантов структурных схем коррекции применительно к конкретному виду измерительного преобразователя связана с существенно отличающимися аппаратурными затратами. Так, например, при построении схемы коррекции в составе цифрового измерителя температуры при малых степенях полинома (2.4) решение (2.8) проще выполнить в аналоговом виде. Долговременная энергонезависимая память коэффициентов Ьк наиболее просто реализуется в дискретной
Та'б'лица 2.1
Аргумент функции поправки
Поправка по у
Поправка по г
Поправка по хп
У
Ру(Х)
Рг(Х)
РхпОО
Ул
Р.-М)
Рг(Уд)
Рхп(#д)
гл
ру(гд)
Рг(гд)
Рхи(2д)
Р-А)
Рг(^ц)
Рхп^п)
форме, а вычисление и ввод корректирующего воздействия с минимальными затратами могут быть осуществлены в цифро-аналоговом виде. Отметим, что при построении чисто аналоговых устройств для измерения температуры хранение коэффициентов полинома коррекции (более подробно это будет рассмотрено ниже) целесообразно организовать в цифровом виде.
Рис. 2.2. Обобщенная структурная схема коррекции
Для снижения аппаратурных затрат на специализированное вычислительное устройство в [17] предлагается заменить в выражении (2.9) действительные значения величины, в соответствии с которой осуществляется коррекция, на фиксированные номинальные значения той же величины в точках калибрования. Однако в этом случае коррекция будет сопровождаться методической погрешностью, значение которой зависит от текущего значения функции поправок. Указанная погрешность устраняется путем организации итерационного процесса при вое-
Произведений функции поправок, т. е. циклическим многократным вычислением функции поправок при подстановке в аппроксимирующее уравнение значений аргумента, полученных при цикле вычислений.
Перейдем к анализу погрешностей измерительных преобразователей температуры с автоматическим калиброванием измерительного канала. Составляющие остаточной погрешности коррекции после проведения калибрования можно разделить на две группы: погрешности собственно калибрования (в режиме «Калибрование») и погрешности ввода корректирующего воздействия (в режиме «Измерение»).
В свою очередь каждая из групп содержит методические и инструментальные погрешности.
К методическим погрешностям калибрования следует отнести погрешность из-за разности температур фазового перехода реперного материала и рабочего конца ТП, а также погрешность, обусловленную высокочастотной составляющей погрешности измерительного преобразователя (шум).
Разность температур фазового перехода реперного материала калибратора и рабочего конца ТП зависит от соотношения их геометрических размеров, скорости изменения температуры, объекта измерения и условий теплообмена калибратора с окружающей средой. При правильно спроектированном калибраторе влиянием теплообмена между торцами цилиндра или пластины и окружающей средой можно пренебречь. Так как разность температур калибратора и термоэлектродов ТП сравнительно мала, приток и отвод тепла вдоль термоэлектродов ТП практически отсутствуют.
Анализ условий теплообмена в многослойном калибраторе (см. § 1.2) показал, что рассматриваемая методическая погрешность будет обусловлена в основном процессом выравнивания температуры между, центром калибратора и границей раздела фаз. Однако длительность этого процесса значительно меньше длительности процесса фазового перехода любого реперного слоя. Поэтому указанная методическая погрешность может быть практически устранена небольшой (до 20 с) задержкой процесса калибрования относительно начального момента фазового перехода.
Высокочастотная составляющая погрешности измерительного преобразователя принципиально нс устраняется методом образцового сигнала [17]. Однако по сравнению с погрешностью промышленных датчиков температуры эта составляющая мала. При необходимости она может быть еще более снижена усреднением, интегрированием или другими методами [23, 37, 41].
Доминирующей составляющей инструментальной погрешности калибрования является погрешность воспроизводимости температуры фазового перехода реперного материала калибратора. Для технически чистых материалов числовая оценка этой погрешности составляет 0,5— 0,7 °C [14, 35]. Кроме того, температура фазового перехода реперного
Материала может измениться в процессе эксплуатации из-за химического взаимодействия реперного материала с корпусом калибратора или термоэлектродами ТП. Эту погрешность целесообразно уменьшить еще на этапе проектирования путем рационального выбора материалов и технологии изготовления калибраторов. Так, например, герметизация калибратора практически устраняет возможность окисления реперного материала и исключает протекание процессов электролитической коррозии. В высоколегированных сталях и сплавах на основе никеля процессы структурных превращений до температур 900—1000 °C отсутствуют, что исключает их взаимодействие с реперным материалом калибратора.
Значительное влияние на инструментальную погрешность калибрования может оказать погрешность идентификации момента фазового перехода. Снижение этой погрешности достигается схемным путем — увеличением порога чувствительности устройства идентификации фазового перехода, повышением уровня его помехозащищенности и помехоустойчивости. Схемотехника таких устройств будет подробно рассмотрена в § 2.2—2.4 и гл. 3.
Помимо погрешности воспроизводимости температуры фазового перехода влияние на точность калибрования оказывает инструментальная погрешность формирования образцового сигнала. При цифровом способе формирования сигнала эта погрешность определяется только дискретностью измерительного преобразователя (ценой младшего разряда). При аналоговом способе формирования сигнала появляются дополнительные погрешности, обусловленные в основном временным и температурным дрейфом источника образцового сигнала. Однако современная элементная база позволяет снизить эти погрешности до значений, существенно меньших значений погрешности воспроизводимости температуры фазового перехода реперного материала калибратора.
С указанной погрешностью тесно связана инструментальная погрешность устройства сравнения измеренного и образцового сигналов (погрешность вычитания). При цифровом сравнении (вычитании) она определяется дискретностью измерительного преобразователя. При построении контура калибрования на основе аналоговых элементов эта погрешность может быть сведена к достаточно малому значению рациональным построением схемы измерительного преобразователя.
К инструментальным погрешностям калибрования следует также отнести погрешность, обусловленную влиянием погрешностей элементов измерительного преобразователя, не охваченных контуром калибрования. В цифровых измерительных преобразователях возможно полное устранение этой погрешности за счет определения поправки в цифровой форме. В аналоговых измерительных преобразователях эту погрешность также нетрудно устранить охватом всего преобразователя контуром калибрования (сравнением образцового сигнала с выходным сигналом преобразователя). Однако следует отметить, что в аналоговых измерительных устройствах из-за практической невозможности реали-
Шнй устройств сравнений неэлектрических Величин (например, сравнения показаний на шкале аналогового прибора) эта погрешность принципиально не устранима.
К методическим погрешностям коррекции в режиме «Измерение» следует прежде всего отнести погрешность, обусловленную аппроксимацией кривой отклонения действительной функции преобразования ТП от поминальной, например полиномиальной функцией. Как указывалось, значение этой погрешности зависит от степени аппроксимирующего полинома (которая в общем случае неизвестна), числа точек калибрования и функциональных возможностей устройства коррекции (максимальная степень аппроксимирующего полинома). Очевидно, что при степени полинома ^3 и числе точек калибрования Z^4 погрешность аппроксимации можно не учитывать.
Методической погрешностью коррекции в режиме «Измерение» является также временной дрейф функции преобразования измерительного преобразователя, в особенности датчика температуры. Если учесть, что дрейф протекает сравнительно медленно, то оптимальным по длительности выбором интервалов времени между калиброваниями значение этой погрешности нетрудно свести к допустимому.
Необходимо отметить, что благодаря проведению калибрования на месте эксплуатации метод образцового сигнала в данном случае позволяет существенно уменьшить погрешности от влияния целого ряда величин: температуры окружающей среды, электромагнитных помех и наводок, напряжения питания, а главное — формы температурного поля в зоне установки термоэлектрического преобразователя. Как известно [18], влияние формы температурного поля на выходной сигнал ТП, связанное с термоэлектрической неоднородностью его термоэлектродов, является основным фактором, ограничивающим точность измерения температуры с помощью ТП. В момент калибрования погрешности, обусловленные формой температурного поля и другими влияющими величинами, устраняются. Методическая погрешность коррекции связана только с изменением влияющих величин за время между калиброваниями. В большинстве практических случаев это изменение значительно меньше самой влияющей величины и его влиянием на результат измерения можно пренебречь.
Как и в режиме «Калибрование», в режиме «Измерение» высокочастотная составляющая погрешности измерительного преобразователя методом образцового сигнала принципиально не устраняется.
К инструментальным погрешностям коррекции в режиме «Измерение» относятся погрешности собственно устройства коррекции и сумматора. Поскольку выходной сигнал устройства коррекции компенсирует погрешность измерительного преобразователя, можно считать, что погрешность собственно устройства коррекции является величиной второй степени малости. При цифровом способе коррекции погрешность сумматора не превышает погрешности дискретности измерительного пре-
образователя, а погрешность аналогового сумматора может быть сведена к пренебрежимо малому значению рациональным выбором схемы.
Введение устройства калибрования позволяет устранить наиболее существенные составляющие погрешности измерения — погрешность датчика температуры, погрешность из-за влияния линии связи и значительную часть инструментальной погрешности измерительного преобразователя. Особенно важным является снижение влияния термоэлектрической неоднородности термоэлектродов ТП, что принципиально неустранимо другими методами. Погрешность измерительного преобразователя после калибрования практически приближается к погрешности воспроизводимости температуры фазовых переходов реперных материалов калибратора, что соизмеримо с допускаемой погрешностью образцовых средств измерения температуры.
Таким образом, введение устройств калибрования и коррекции погрешности измерительного канала в состав технических средств измерения температуры может повысить их точность примерно на порядок.
Идентификация фазовых переходов калибраторов температуры
Как указывалось ранее, одной из основных особенностей метода образцовых сигналов применительно к температурным измерениям является необходимость введения в состав измерительного преобразователя устройства идентификации фазового перехода, позволяющего при изменении температуры объекта определить момент плавления (затвердевания) реперного материала калибратора. Так как на время фазового перехода реперного материала термо-ЭДС ТП остается практически постоянной, это устройство должно реагировать на уменьшение скорости изменения температуры рабочего конца ТП до заданного уровня, т. е. сравнивать производную температуры по времени с уставкой. Выходной сигнал устройства идентификации можно записать в следующем виде:
<0 при^£/^>Д;
|1 при dE/dt<b, ' " ' где Е— термо-ЭДС ТП; А — допустимое значение производной термо- ЭДС ТП в момент начала калибрования.
В калибраторах скорость изменения температуры при выходе на режим фазового перехода снижается постепенно. При разности температур рабочего конца ТП и фазового перехода в пределах 1—2 °C скорость изменения температуры не превышает 0,03 °С/с, что в пересчете на термо-ЭДС ТП градуировки хромель — алюмель составит 1,2 мкВ/с. Такие малые значения производной выходного сигнала ТП не позволяют применять в качестве устройства идентификации дифференциатор на операционном усилителе и могут быть идентифицированы только при периодическом запоминании и сравнении значений анализируемого сигнала.
Режим „Калибрование"
Рис. 2.3. Структурная схема устройства идентификации фазового перехода
Рис. 2.4. Импульсные сигналы счетчикаРис. 2.4. Импульсные сигналы счетчикаДля уменьшения аппаратурных затрат в составе устройства идентификации фазового перехода (ИФП) должны максимально использоваться уже имеющиеся стандартные узлы и элементы. Например, в автоматических потенциометрах постоянного тока в качестве аналогового запоминающего устройства удобно использовать саму компенсационную схему. Запоминание текущего значения выходного сигнала ТП достигается отключением обмотки управления двигателя привода компенсации. При изменении термо-ЭДС ТП за анализируемый промежуток времени на выходе усилителя привода компенсации формируется управляющее напряжение, используемое для работы схемы устройства идентификации.
Рис. 2.4. Импульсные сигналы счетчика
Рис. 2.4. Импульсные сигналы счетчика
Один из возможных вариантов структурной схемы устройства идентификации фазового перехода представлен 'на рис. 2.3 [3, 7, 9].
В режиме «Калибрование» оператор переводит печь на постоянный
нагрев или охлаждение и на ИФП поступает управляющий сигнал, запрещающий сброс счетчика Сч и счетчика совпадений СчС. Счетчик Сч, заполняясь импульсами генератора тактовых импульсов ГТИ, формирует на выходах а и б импульсные сигналы Ua и U6 (рис. 2.4). Под воздействием импульса Об к выходу усилителя Ус подключается двигатель Д (см. рис. 2.3) и измерительная цепь ИЦ приводится в состояние равновесия. По окончании воздействия импульса Иб выход усилителя Ус подключается к компаратору Кп и далее через ключ Кл2— к запрещающему входу схемы И. Сформированный через время Дт (рис. 2.4) импульс поступает на вход схемы И. Если за время
между импульсами Ua и U6 температура рабочего конца ТП изменилась (фазовый переход еще не наступил), на вход компаратора Кп поступит напряжение, соответствующее усиленной разности термо-ЭДС и выходного сигнала измерительной цепи ИЦ. В результате этого компаратор Кп сработает и запретит прохождение импульса Ua через схему И на счетчик совпадений СчС. Описанный процесс повторяется под воздействием последующих импульсов с выхода счетчика Сч. При неизменной температуре рабочего конца ТП (достигнут момент фазового перехода калибратора) выходное напряжение усилителя Ус будет оставаться близким к нулю и импульс Un проходит на счетчик СчС. Поступление импульса со схемы И на СчС является признаком достижения фазового перехода, однако достоверность такого определения фазового перехода мала — несрабатывание компаратора Кп может быть вызвано различными флуктуациями выходного напряжения усилителя Ус. Наличие счетчика СчС позволяет повысить достоверность определения момента фазового перехода, так как выходной сигнал Калибрование поступит на устройство коррекции только после многократного повторения импульсов на выходе схемы И. Разрядность СчС выбирается исходя из вероятности ложных включений компа’ ратора Кп. Заметим, что сигналы Ua и U6 могут быть сформированы не только путем заполнения счетчика импульсами генератора тактовых импульсов, но и другим способом (например, с помощью многофазного мультивибратора).
Описанная схема требует применения достаточно чувствительного компаратора ИФП. При этом момент фазового перехода при большом уровне шума усилителя иногда бывает трудно зафиксировать. Схема позволяет сравнить разность запомненного значения термо-ЭДС рабочего конца ТП £Тп (т) и текущего значения этой термо-ЭДС в момент воздействия импульса Об на выходе б счетчика Сч £тп(т~рДт) с допустимым значением MJ, которое определяется чувствительностью компаратора Кп. Выходной сигнал Калибрование может быть записан как
{
О при | £тп(т) — £тп(т 4-Лт)| А[/;
(2.11) 1 при | £тп(т) — £тП(т + Ат)| < MJ.
Таким образом, порог чувствительности компаратора Кп в этой схеме должен быть ниже напряжения трогания UT двигателя Д, т. е.
\U < | £тп(т) — ^(т + Ат) |< UT. (2.12)
Если условие (2.12) не удовлетворяется, а скорость нарастания температуры рабочего конца ТП сравнительно небольшая, возможно ложное обнаружение момента фазового перехода. Это накладывает
определенные ограничения на область применения схемы, так как уровень шумов усилителя Ус в автоматических потенциометрах, как правило, близок к напряжению трогания UT. Заметим, что данную схему ИФП целесообразно применять в комплекте с калибраторами температуры, характеризующимися достаточно большой постоянной времени.
При использовании калибраторов температуры с малой длительностью фазового перехода (менее 30 с) требования к чувствительности компаратора Кп должны быть снижены. Алгоритм работы устройства идентификации для такого случая (рис. 2.5) несколько изменяется.
Рис. 2.5. Структурная схема устройства идентификации фазового перехода для калибраторов температуры с малой длительностью площадки
Подключение двигателя Д к выходу усилителя Ус производится только после срабатывания компаратора Кп, т. е. нет жестко заданного по времени цикла подключения к выходу усилителя двигателя и компаратора. При этом ситуация, при которой двигатель отрабатывает изменение термо-ЭДС ТП, а компаратор этого не чувствует, исключается. В режиме «Калибрование» поступает сигнал запрета сброса счетчика СчС и триггера 7г и к выходу усилителя Ус подключается компаратор Кп. При изменении температуры рабочего конца ТП разность между выходным напряжением измерительной цепи ИЦ и текущим значением термо-ЭДС увеличивается и достигает порога срабатывания компаратора Кп. По выходному сигналу Кп к выходу усилителя Ус подключается двигатель Д и производится сброс счетчика СчС. Двигатель Д вновь приводит измерительную цепь ИЦ в равновесие (разность между выходным сигналом ИЦ и термо-ЭДС ТП приближается к нулю и становится меньше напряжения срабатывания Км), а компаратор Кп отключает двигатель Д от выхода усилителя Ус. Описанный процесс продолжается до достижения момента фазового перехода. Если скорость изменения температуры снижается, то время, в течение которого выходное напряжение усилителя Ус остается меньшим порога срабатывания компаратора MJ, удлиняется. Импульсы генератора тактовых импульсов ГТИ заполняют счетчик СчС, причем при каждом срабаты- 3—5074 33
вания компаратора Кп счетчик СчС обнуляется. Время, в течение которого анализируется выходное напряжение усилителя Ус по состоянию компаратора Кп, увеличивается до пКх, где п— разрядность счетчика СчС, Ат — период следования импульсов ГТИ. Если выходное напряжение Ус U^C<\U на протяжении времени пАт, то счетчик СчС переполняется и срабатывает триггер Т, который фиксирует момент наступления фазового перехода. Выходной сигнал Калибрование может быть представлен в следующем виде:
р _ (0 при I £тп(х) — Етп(т + ПМ) | > А(/;
11 при | £тп(т) — ЕТп(т + ^х)| <J kU.
Как видно из (2.13), в данной схеме по сравнению с предыдущей (см. рис. 2.3) обеспечена возможность снижения чувствительности компаратора в п раз при одинаковой чувствительности устройств идентификации фазового перехода. При этом суммарное время идентификации существенно не увеличится (по той причине, что разрядность счетчика
Рис. 2.6. Структурная схема устройства идентификации фазового перехода на базе АЦП двухтактного интегрирования
СчС в предыдущей схеме приходится выбирать достаточно большой). Заметим, что последняя схема применима при воздействии помех сравнительно небольшой мощности. При наличии мощных импульсных помех произойдет сброс счетчика СчС и цикл идентификации фазового перехода будет повторяться. При большой частоте этих помех определение момента фазового перехода становится весьма затруднительным.
Известно, что наиболее высокий уровень подавления помех как нормального, так и общего вида обеспечивают аналого-цифровые преобразователи двухтактного интегрирования [23]. Схема устройства 34
Идентификации фазового перехода па базе аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования приведена на рис. 2.6 [10]. Запоминание текущего значения сигнала термо-ЭДС ТП в этой схеме осуществляется за счет преобразования термо-ЭДС ТП в фазу последовательности импульсов фиксированной частоты. Сравнение двух значений аналогового сигнала сводится к анализу фаз двух последовательностей импульсов. В режиме «Калибрование» источник образцового напряжения ИОН не подключается к интегратору Инт1 ни в первом, ни во втором такте интегрирования.
Рис. 2.7. Выходные сигналы интеграторов и компаратора
В первом такте интегрирования в режиме «Калибрование» на вход интегратора Инт1 поступает усиленный сигнал ТП. В конце такта выходное напряжение первого интегратора t/интi (рис. 2.7) не изменяется и значение термо-ЭДС ТП запоминается. Во время второго такта интегрирования напряжение ИОН ‘с помощью ключа Кл2 подается на вход интегратора Инт2. В момент равенства выходных напряжений ^ИНТ1 И Нинт2 срабатывает компаратор Кп2 и формируется импульс ^кп2, поступающий на схему совпадения ОС. При несовпадении выходных импульсов Кп2 и счетчика Сч последний сбрасывается импульсом с инверсного выхода схемы совпадения СО. В конце цикла преобразования входы интеграторов Инт1 и Инт2 подключаются к выходам компараторов Кп1 и Клг2 для автоматической установки нуля. Разрядность счетчика Сч выбрана таким образом, чтобы период следования импульсов с его выхода полностью соответствовал периоду работы интегратора Инт1, т. е. разрядность Сч равна разрядности счетчика формирователя тактов в устройстве управления УУ аналого-цифрового преобразователя. Синхронность работы счетчика Сч и интеграторов Инт1 и Инт2 обеспечивается поступлением импульсов на Сч и счетчик формирователя тактов, находящийся в УУ, из одного и того же генератора тактовых импульсов ГТИ. Если термо-ЭДС ТП изменяется, то изменяется и амплитуда выходного напряжения интегратора Инт1 во втором такте, что приводит к изменению интервала между началом второго такта и срабатыванием компаратора Кп2. Импульсы 3* 35
е Выхода компаратора Кп2 и счетчика Сч поступают на входы СС в разные моменты времени, и фаза начала счета в счетчике Сч после его сброса изменяется. В случае равенства термо-ЭДС ТП в разных циклах преобразования моменты поступления импульсов с выхода Кп2 и Сч будут совпадать и СС выдаст сигнал Калибрование.
Высокий коэффициент подавления помех в этой схеме достигается тем, что сравниваются значения интегралов термо-ЭДС ТП за период, соответствующий периоду помехи. Эффективность подавления помех возрастает еще и за счет того, что частота выходных импульсов генератора ГТИ может подстраиваться под период сети. При этом изменяются длительности тактов интегрирования. Однако фаза срабатывания компаратора Кп2 (при постоянстве термо-ЭДС ТП) относительно начала второго такта, определяемая количеством поступивших на Сч импульсов, остается постоянной, так как частота импульсов Сч также изменится соответствующим образом. Дополнительную защиту от ложных срабатываний схемы совпадения можно обеспечить путем многократного повторения процедуры идентификации фазового перехода. Для этого к выходу Калибрование следует подключить счетчик совпадений, сбрасываемый от того же импульса, что и Сч. В таком случае сигнал Калибрование будет поступать на устройство коррекции только после последовательного совпадения значений термо-ЭДС ТП в течение ряда циклов преобразования, что обеспечит надежную идентификацию момента фазового перехода.
Рассмотренная схема устройства идентификации фазового перехода универсальна и может применяться в аналого-цифровых преобразовав телях двухтактного интегрирования различных модификаций. Вместе с тем она сопровождается усложнением конструкции аналого-цифрового преобразователя, причем основной объем изменений требуется осуществить в аналоговом усилителе, который должен быть помещен в экран и должен питаться от экранированных обмоток трансформатора. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть использование особенностей схемотехники различных модификаций аналого-цифровых преобразователей двухтактного интегрирования для сокращения числа вводимых узлов, особенно в аналоговой части.
В классическом аналого-цифровом преобразователе двухтактного интегрирования длительность цикла преобразования (сумма длительностей первого и второго тактов преобразований) пропорциональна преобразуемому напряжению. Структурная схема устройства идентификации фазового перехода, построенного на базе такого преобразователя, представлена на рис. 2.8.
Запуск аналого-цифрового преобразователя АЦП осуществляется импульсами с постоянным периодом следования, формируемыми путем заполнения счетчика Сч1 импульсами генератора тактовых импульсов ГТИ с кварцевой стабилизацией частоты. Импульсы с выхода ГТИ одновременно поступают на счетчик Сч2, аналогичный счетчику Сч1.
Сигнал Конец преобразования АЦП поступает на формирователь d\ гдё он дифференцируется, и в момент окончания второго такта интегрирования поступает на входы схем ИЦ И2. На второй вход схемы И1 поступает выходной импульс счетчика Сч2, а на второй вход схемы И2 — импульс с выхода инвертора Инв. На выходе И1 импульс формируется при совпадении импульсов, поступающих из Ф и Сч2, а на выходе И2 — при их несовпадении.
Рис. 2.8. Структурная схема устройства идентификации фазового перехода на основе принципа двухтактного интегрирования
При изменении термо-ЭДС ТП сдвиг фазы поступления импульса Конец преобразования АЦП относительно его запуска меняется, что приводит к несовпадению выходных импульсов формирователя Ф и счетчика Сч2. При этом срабатывает схема И2, а счетчики Сч2 и СчЗ сбрасываются. Описанный процесс циклически повторяется под воздей* ствием импульсов генератора ГТИ. При постоянстве термо-ЭДС ТП фаза поступления импульса Конец преобразования АЦП относительно его запуска не меняется, импульсы с выходов формирователя Ф и счетчика Сч2 совпадают и на СчЗ поступают импульсы с выхода И1. Если термо-ЭДС ТП постоянна в течение длительного времени, что свидетельствует о наступлении момента фазового перехода, происходит переполнение счетчика СчЗ и с его выхода снимается импульс Калибрование. Схема обладает высокой чувствительностью, так как реализует алгоритм сравнения термо-ЭДС ТП в соответствии с (2.13), что позволяет определенным выбором разрядности счетчиков Сч1—СчЗ обеспечить надежную идентификацию момента фазового перехода.
Достоинствами схемы являются относительная простота, отсутствие аналоговых узлов и малое число связей с аналого-цифровым преобразователем. Схема может быть применена совместно с аналого-цифровыми преобразователями двухтактного весового интегрирования, у которых весьма высокий коэффициент подавления помех нормального вида (аналого-цифровой преобразователь Ф4833 и цифровой вольтметр
Ф4834). Применение этой схемы идентификации фазового перехода в цифровых измерителях температуры на базе АЦП с автоматической подстройкой длительности первого такта интегрирования под период сети невозможно, так как длительность цикла преобразования у этих АЦП зависит от частоты питающей сети, а у некоторых модификаций формирование импульса Конец преобразования вообще не связано со
значением преобразуемого напряжения (приборы Щ68003, ФЗО, Щ1516).
Рис. 2.9. Структурная схема устройства идентификации фазового перехода на основе анализа состояния регистра выходного кода
Рис. 2.10. Принципиальная электрическая схема дифференцирующей цепи
фазового перехода, основанную на анализе перехода состояния разрядов регистра выходного кода из логического нуля в единицу и наоборот. Структурная схема такого устройства ИФП представлена па рис. 2.9 [11], а принципиальная электрическая схема основного узла — дифференцирующей цепи ДЦ— па рис. 2.10.
При поступлении импульса Конец преобразования из аналого-цифрового преобразователя в регистр выходного кода Рг записывается код результата соответствующего преобразования. Если при этом в некоторых разрядах регистра Рг произошла смена состояния (переход из логического нуля в логическую единицу), на выходах 1 дифференцирующих цепей ДЦ1—ДЦп, подключенных к этим разрядам, появится положительное напряжение и сработает компаратор Кп. Если произошла смена состояния из логической единицы в логический пуль, то выходное напряжение появится на выходах 2 соответствующих дифференцирующих цепей. Это напряжение будет отрицательным, а так как выходы 2 дифференцирующих цепей подключены к инвертирующему входу компаратора Кп, последний также сработает. При этом па пря-
мом выходе компаратора Кп появится импульс, который поступит на схему И2. На ее второй вход через схему задержки СЗ поступит импульс Конец преобразования. Схема И2 сработает и своим выходным импульсом сбросит счетчик Сч.
Если смена логического состояния отсутствует (т. е. коды результата преобразования в предыдущем и текущем преобразованиях равны), то конденсаторы дифференцирующих цепей нс изменят своего потенциала. Напряжения на выходах 1 и 2 дифференцирующих цепей будут равны нулю, компаратор Кп не сработает и схема И2 закроется. Задержанный схемой задержки СЗ сигнал Конец преобразования через схему И1 поступит на счетчик Сч, который зафиксирует совпадение кодов в предыдущем и текущем преобразованиях. При длительном постоянстве кодов (т. е. постоянстве термо-ЭДС ТП при наступлении момента фазового перехода реперного материала калибратора) происходит переполнение счетчика Сч, который выдает импульс Калибрование.
В описанной схеме код температуры фазового перехода калибратора должен быть выбран таким, чтобы в окрестности его значения отсутствовал перенос логической единицы из младших разрядов АЦП в старшие, так как иначе при воздействии шума и помех трудно определить момент достижения фазового перехода. Например, выбор кода температуры фазового перехода калибратора 500 °C в АЦП с двоичнодесятичным кодом на выходе может привести к состоянию, при котором в момент фазового перехода помехи и шум на входе АЦП вызовут периодическую смену кода результата с 499,9 на 500. При этом происходит смена состояния во всех разрядах выходного кода и момент фазового перехода не будет обнаружен. Такой недостаток легко устраняется путем введения на время поиска момента фазового перехода дополнительного смещения или изменения коэффициента преобразования АЦП. В рассмотренном примере достаточно ввести смещение 0,5 °C (для получения в момент фазового перехода выходного кода, соответствующего 499.5 или 500,5 °C), чтобы флуктуация" выходного кода в пределах +0,4°С (при анализе разрядов с минимальным весом в 1 °C) не вызывала трудностей в процессе обнаружения момента фазового перехода.
Заметим, что при применении схемы в комплекте с АЦП, в котором производится предварительный сброс регистра выходного кода, или в составе измерительных систем в нее необходимо дополнительно ввести по каждому каналу промежуточные регистры памяти, в которых смена кода производится без предварительного обнуления (например, регистра на £)-триггсрах К155ТМ5).
В тех случаях, когда измерения сопровождаются импульсными помехами большой интенсивности, вызывающими редкие, но большие по амплитуде скачки термо-ЭДС ТП (например, при коммутации цепей мощных потребителей), целесообразно применение устройств идептифи-
нации фазового перехода, основанных на цифровом вычитании кодов. Структурная схема такого устройства ИФП представлена на рис. 2.11 [8]. В конце каждого преобразования выходной код АЦП поступает на устройство вычитания УВ и из него вычитается код результатов предыдущего преобразования, записанный в регистре памяти Рг. От импульса Конец преобразования срабатывают компараторы кодов КпК1 и КпК2. Компаратор КпК1 сравнивает разностный код с допустимым в момент фазового перехода изменением температуры, т. е. осуществляет операцию согласно (2.11). Если значение выходного сигнала У В
Рис. 2.11. Структурная схема устройства идентификации фазового перехода на основе цифрового вычитания кодов
превышает допустимое, то выходной сигнал КпК1 через схему задержки СЗ и ключ Кл поступит на разрешающий вход регистра памяти Рг и в Рг запишется выходной код АЦП в текущем преобразовании. Одновременно выходной сигнал КпК1 поступит на вход сброса счетчика Сч. Во время фазового перехода термо-ЭДС ТП остается постоянной, полученная на выходе УВ разность кодов предыдущего и последующего преобразований нс превышает допустимую и компаратор КпК1 не сработает. После поступления сигнала Конец преобразования на инверсном выходе КпК1 формируется импульс, поступающий на вход счетчика Сч. Длительное постоянство термо-ЭДС ТП при достижении температуры фазового перехода вызывает переполнение счетчика Сч и появление на его выходе сигнала Калибрование. При медленном изменении термо-ЭДС ТП, нс вызывающем превышения выходным кодом УВ допустимой разности в течение нескольких циклов преобразования, фиксация момента фазового перехода не происходит. Только при полном заполнении счетчика Сч фиксируется момент фазового перехода. Превышение выходным кодом УВ допустимого значения после нескольких циклов преобразования приводит к сбросу счетчика Сч и 40
сМенё кода в рёгйсфре Рг, т. е. реализуется алгоритм, соответствую» щий (2.13).
Воздействие мощных импульсных помех выражается в резком изменении выходного кода АЦП в текущем преобразовании. Это изменение кода при отсутствии защиты от сбоев будет записано в регистр памяти Рг. В дальнейшем при последующем преобразовании разность кодов снова превысит допустимую и вызовет смену кода в Рг, так как время установления переходного процесса при импульсных помехах значительно больше длительности самой помехи, особенно в многоканальных системах. В схеме на рис. 2.11 предусмотрена защита от записи в регистр памяти Рг кода, соответствующего импульсной помехе, с помощью компаратора кодов КпК2 и счетчика сбоев СчСб. Если произошло резкое изменение выходного кода АЦП, разностный код на выходе устройства вычитания УВ превысит максимально допустимые значения скорости изменения температуры объекта. При таком превышении срабатывает компаратор КпК2, счетчик сбоев СчСб под воздействием импульса Конец преобразования учитывает сбой и закрывает ключ Кл, запрещая прохождение выходного импульса компаратора КпК1 на вход записи регистра памяти Рг. Один из последующих импульсов Конец преобразования возвращает счетчик сбоев СчСб в исходное состояние, и процесс идентификации фазового перехода продолжается. Разрядность счетчика сбоев определяется исходя из вероятной продолжительности воздействия импульсной помехи. Чаще всего в качестве СчСб используется триггер. Введение в схему такого триггера позволяет исключить ситуацию, при которой в начальный момент идентификации фазового перехода в регистр памяти Рг записывается код, соответствующий сбою, что привело бы в дальнейшем к неработоспособности схемы.
Рассмотренная схема позволяет весьма эффективно подавить все виды помех, обладая при этом довольно большой чувствительностью при высокой устойчивости по отношению к случайному сбою в момент фазового перехода калибратора. Это особенно важно в многоканальных системах измерения температуры, в которых большая вероятность сбоя в момент фазового перехода заставляет увеличивать длительность фазового перехода за счет ухудшения динамических параметров ТП с калибраторами. Увеличение аппаратурных затрат в этом случае проявляется менее резко.
Коррекция аддитивной составляющей погрешности
Хотя полная коррекция погрешности измерительного преобразователя в широком диапазоне температур может быть достигнута при высокой степени полинома коррекции и достаточно большом числе точек калибрования, для большого числа практических применений актуальной является задача коррекции погрешности измерительного преобразо-
йателя в одной-двух точках диапазона Измерений, лежащйх вблизи температурных режимов технологических процессов. Для ее решения достаточно ввести коррекцию аддитивной составляющей погрешности в заданной точке диапазона измерения.* Основной задачей схемотехники таких устройств коррекции является обеспечение требуемой точности при минимальных затратах, а их особенностью — необходимость введения в устройство элементов энергонезависимой памяти.
При разработке устройств коррекции, например, для автоматических потенциометров постоянного тока, выпускаемых крупными партиями и широко применяемых в промышленности, энергонезависимую память можно построить на аналоговых или дискретных элементах. В первом случае память нетрудно реализовать на основе дополнительного реохорда, включенного в цепь вспомогательного источника питания. Перемещение подвижного контакта дополнительного реохорда осуществляется реверсивным двигателем автоматического потенциометра, а значение корректирующего воздействия определяется положением подвижного контакта дополнительного реохорда и может сохраняться как угодно долго и при отключении питающей сети. Однако такое запоминающее устройство достаточно громоздко и требует существенных изменений механической части потенциометра. Что касается электронных устройств долговременного хранения аналоговых сигналов, то их техническая реализация достаточно сложна. Эти устройства содержат, как правило, запоминающие конденсаторы, саморазряд которых (а также токи утечки ключей и усилителей считывания) позволяет хранить аналоговый сигнал с погрешностью 1—10 % не более 1 ч.
Во втором случае для применения широко выпускаемых дискретных запоминающих устройств с малым потреблением тока корректирующий сигнал низкого уровня необходимо преобразовать в код. Это можно осуществить с помощью дополнительно введенного в схему АЦП или путем использования для аналого-цифрового преобразования стандартных элементов и узлов автоматического потенциометра. Очевидно, что последний путь более экономичен, так как точность, разрядность и быстродействие такого аналого-цифрового преобразователя могут быть невелйки. Наиболее просто в этом случае реализуется аналогоцифровой преобразователь развертывающего уравновешивания с равномерно-ступенчатым изменением компенсирующей величины [23]. Усилитель автоматического потенциометра используется в качестве усилителя рассогласования, а в схему (кроме устройства идентификации фазового перехода) дополнительно вводятся генератор тактовых импульсов, ключ, счетчик и цифро-аналоговый преобразователь. Так как частота импульсов генератора может быть выбрана 1 Гц и даже ниже, в описанном АЦП нетрудно обеспечить достаточно высокую помехозащиту, например, путем применения пассивных фильтров.
Структурная схема устройства коррекции на основе автоматического потенциометра постоянного тока приведена па рис. 2,12. В этой схе- 42
Рис. 2 Л 2. Структурная схема устройства коррекции аддитивной погрешности на основе автоматического потенциометра
ме измерительная цепь ИЦ, ее блок питания БП, усилитель Ус и двигатель Д представляют собой стандартные блоки автоматического потенциометра [1].
В режиме «Калибрование» сигнал Калибрование, поступающий из устройства идентификации фазового перехода, выполняет следующие операции: во-первых, с помощью ключа Кл2 отключает блок питания БП от измерительной цепи ИЦ и подключает его к сумматору См; во-
вторых, с помощью ключа КлЗ подключает выход усилителя Ус ко
входу фазочувствительного компаратора ФчК; в-третьих, обеспечивает срабатывание ключа Кл1. При этом ИЦ обесточивается и компенсирующее напряжение не создается. Блок питания БП совместно с делителем (на схеме не показан) образуют источник образцового напряжения, включенный с помощью ключа Кл2 встречно термо-ЭДС ТП, подаваемой на Вход. Разностный сигнал с сумматора См через обесточенную ИЦ, усилитель Ус и ключ КлЗ подается на вход ФчК. Под действием выходного сигнала ФчК ключ Кл1 открывается и импульсы генератора тактовых импульсов ГТИ начинают заполнять счетчик Сч. Состояние счетчика Сч преобразуется цифро-аналоговым преобразователем ЦАП в напряжение, компенсирующее погрешность ТП. В результате этого разностный сигнал См постепенно снижается до пуля и далее меняет знак на противоположный. Это приводит к смене фазы управляющего напряжения на выходе усилителя. В этот момент, зафиксированный ФчК, ключ Кл1 закрывается и поступление импульсов генератора ГТИ на счетчик Сч прекращается, завершая тем самым процесс калибрования. Так как погрешность ТП может’ иметь различный знак, предварительно необходимо определить полярность корректирующего напряжения. В данной схеме исключается необходимость сдвига выходного сигнала источника образцового напряжения на зна
чение, соответствующее максимально допустимой погрешности ТП, и выбора максимального выходного напряжения ЦАП, равного ее удвоенному значению. В результате этого напряжение коррекции всегда имеет положительную полярность относительно образцового напряжения, а ФчК фиксирует только переход из фазы, соответствующей положительному напряжению на входе Ус, в фазу, адекватную отрицательному напряжению, что существенно упрощает его схему. Аналогичным
образом можно повысить выходное напряжение источника образцового напряжения, и полярность всех сигналов тогда изменится па обратную.
В режиме «Измерение» все ключи возвращаются в исходное состояние, термо-ЭДС ТП суммируется с ‘выходным напряжением ЦАП и поступает на ИЦ, где компенсируется преобразованным напряжением БП. Усилитель Ус совместно с двигателем Д образуют синхрон- но-следящий привод. Использование БП как в режиме «Калибрование», так и в режиме «Измерение» позволяет кроме снижения аппаратурных затрат исключить влияние дрейфа БП на результат измерения. Условие равновесия схемы в режиме «Калибрование» можно записать в виде равенства
Ещ— ^бп/^Д + ^ЦАП = ®’(2-14)
где Етп — термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода; ^БП— выходное напряжение БП; Кд — коэффициент деления делителя, позволяющего привести (7бп к номинальному значению термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода; ^цдп—выходное напряжение ЦАП.
Запишем условие равновесия схемы в режиме «Измерение» при температуре фазового перехода:
Етп — ^иц + ^ЦАП = °’(2‘ ^)
где Г7Иц—выходное напряжение измерительной цепи.
Эквивалентная схема измерительной цепи автоматического потенциометра представляет собой делитель, коэффициент деления которого определяется положением подвижного контакта реохорда, управляемого двигателем Д, поэтому
■^ИЦ=^БП/^ИЦ,(2.16)
где Киц—коэффициент деления эквивалентной схемы ИЦ. Так как выходные напряжения источника образцового напряжения и измерительной цепи должны компенсировать номинальное значение термо- ЭДС при температуре фазового перехода, очевидно, что
*д = КИц.(2.17)
Подставив полученное из (2.14) значение ^цдп > а также (2.16) в (2.15), получим
^тп—^бп/^иц + ^бп/^д^ТП=°-(2.18)
С учетом (2.17) равенство (2.18) превращается в тождество — изменения 17бп на состояние равновесия схемы не влияют. Физически это означает, что при температуре фазового перехода изменения выходного напряжения БП корректируются схемой калибрования. Однако полная коррекция происходит при температуре фазового перехода, при других температурах дрейф выходного напряжения БП компенсируется не полностью.
Рассмотрим другие погрешности схемы в том же порядке, что и в § 2.1.
Методическими погрешностями калибрования (отклонением температуры рабочего конца ТП от температуры фазового перехода реперного материала и шумом автоматического потенциометра) можно пренебречь, так как в устройстве) идентификации фазового перехода нетрудно осуществить задержку сигнала Калибрование на несколько десятков секунд, а шум автоматического потенциометра, определяемый шумом усилителя, существенно меньше погрешности отсчета.
Погрешность воспроизведения температуры фазового перехода реперного материала калибратора полностью входит в погрешность измерения. Погрешность источника образцового сигнала, определяемая согласно (2.18) дрейфом блока питания измерительной цепи (ИПС-03) в режиме калибрования и его дрейфом за время между калиброваниями, меньше погрешности автоматического потенциометра, поэтому ее влиянием можно пренебречь.
Погрешности устройства вычитания и сумматора также равны нулю, так как эти устройства образованы последовательным соединением источников с гальванической развязкой. Основное влияние на результат измерения будет оказывать погрешность отсчетного устройства и погрешность, обусловленная аппроксимацией кривой погрешности ТП прямой, параллельной оси абсцисс. Последняя погрешность определяет допустимый участок диапазона измерения температуры с повышенной точностью.
При разработке устройств коррекции для цифровых измерительных преобразователей корректирующее воздействие может вводиться как в цифровом, так и в аналоговом виде. Цифровые методы коррекции теоретически обеспечивают более высокую точность, поэтому рас-, смотрим их в первую очередь. Цифровую коррекцию наиболее целесообразно осуществлять по выходу, -т. е. суммированием выходного кода аналого-цифрового преобразователя с кодом поправки, хранимым в запоминающем устройстве с автономным питанием. В таком случае сумматор может быть использован в режиме «Калибрование» для алгебраического определения поправки, т. е. в качестве устройства вычитания. Для этого на его вход необходимо подавать в дополнительном коде значение температуры фазового перехода реперного материала.
Рассмотрим структурную схему преобразователя с реализацией цифрового метода коррекции (рис. 2.13). В режиме «Калибрование» под воздействием сигнала Калибрование срабатывает коммутатор кодов КК> обеспечивая тем самым подачу на вход сумматора См выходного кода постоянного запоминающего устройства ПЗУ. Так как температура фазового перехода реперного материала хранится в ПЗУ в дополнительном коде, разность между ней и термо-ЭДС ТП, пре-
образованной в код с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦЩ переписывается под действием сигнала Калибрование из См в оперативное запоминающее устройство ОЗУ.
В режиме «Измерение» на один вход См через коммутатор кода КК поступает выходной код ОЗУ, на другой — выходной код АЦП. В результате с его выхода снимается скорректированный код преобразуемой температуры. Точность описанного преобразователя весьма высокая и практически приближается к предельно возможной при методе образцового сигнала. Методическая погрешность в режиме «Ка-
Рис. 2.13. Структурная схемаРис. 2.14. Структурная схема
измерительного преобразова-цифрового измерительного претеля с цифровой коррекциейобразователя с аналоговой
аддитивной погрешностикоррекцией аддитивной по
грешности
либрование» определяется случайной погрешностью АЦП, а инструментальная — только погрешностью воспроизведения температуры фазового перехода и дискретностью АЦП. Инструментальная погрешность в режиме «Измерение» отсутствует, а методические погрешности определяются в основном не зависящими от преобразователя факторами — скоростью дрейфа ТП и погрешностью, обусловленной аппроксимацией кривой погрешности дрейфа прямой линией, параллельной оси абсцисс.
Структурная схема, приведенная на рис. 2.13, может найти применение при измерении температуры с высокой точностью при отсутствии жестких ограничений на габаритные размеры и массу аппаратуры. При проектировании цифровых измерителей температуры требование минимума аппаратурных затрат является доминирующим, поэтому целесообразно проанализировать возможность применения аналоговых методов коррекции. При этом реализация записи параллельного кода поправки в регистр памяти цифро-аналогового преобразователя, корректирующего измеряемое значение термо-ЭДС ТП, связана также с существенными аппаратурными затратами. Из-за значительного уровня помех общего вида необходимым узлом цифрового измерительного преобразователя является цепь гальванической раз- 46
кязки, реализуемая с помощью оптронов или импульсных трансформаторов. Для исключения гальванической связи ТП с выходом АЦП через корректирующий ЦАП запись кода в его регистр должна осуществляться с помощью аналогичной цепи гальванической развязки. Существенного снижения аппаратурных затрат можно достигнуть путем использования последовательного число-импульсного кода (выход число-импульсного кода имеется, например, в АЦП Ф4833 и цифровом вольтметре Ф4834). В качестве регистра памяти корректирующего ЦАП целесообразно использовать счетчик, на вход которого импульсы поступают только через один элемент гальванической развязки.
Структурная схема цифрового измерительного преобразователя с реализацией аналогового метода коррекции представлена на рис. 2.14. В режиме «Калибрование» под воздействием сигнала Калибрование разность термо-ЭДС ТП и напряжения источника образцового напряжения ИОН с выхода См поступает в АЦП, где она преобразуется в код, и через цепь гальванической развязки ЦГР записывается в регистр памяти корректирующего ЦАП.
В режиме «Измерение» выходное напряжение ЦАП, суммируясь с термо-ЭДС ТП, корректирует погрешность измерительного канала. По сравнению с предыдущей схемой (см. рис. 2.12) данной схеме присущи две дополнительные погрешности: источника образцового напряжения и цифро-аналогового преобразователя. Погрешность источника образцового напряжения при использовании современной элементной базы может быть легко сведена до 0,02—0,03%. Погрешность ЦАП является величиной второго порядка малости, поэтому он может быть построен на достаточно грубых элементах и иметь разрядность не более 5—7.
В рассмотренных схемах с коррекцией аддитивной составляющей погрешности независимо от формы введения корректирующего воздействия (аналоговой или цифровой) его хранение осуществляется в счетчике или регистре запоминающего устройства. Для исключения сбоев в работе этих устройств при отключении питающей сети необходимо снабдить их резервным питанием (например, от аккумуляторов) и соответствующим устройством переключения (например, диодным ключом). Для снижения потребления мощности счетчики и регистры следует строить на базе микросхем, изготовленных по КМОП-технологии. Наиболее удобными для применения в этом отношении оказываются микросхемы серий 561 и 564, так как они легко сопрягаются с другими сериями микросхем.
Коррекция мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности
Как указывалось выше, погрешность измерительного преобразователя температуры описывается сложными (нелинейными) функция ми. Поэтому применение чисто аддитивной коррекции при измерении
Рис. 2.16. Уточненная схема устройства коррекции мультипликативной погрешностиРис. 2.16. Уточненная схема устройства коррекции мультипликативной погрешноститемпературы в Широком диапазоне неэффективно. В этом случае целесообразно использовать мультипликативную коррекцию, заключающуюся в изменении значения коэффициента преобразования функции преобразования устройства коррекции с помощью сигнала, функционально связанного с относительной погрешностью устройства коррекции [24, 36]. В соответствии с этим определением структурная схема измерительного преобразователя температуры с мультипликативной коррекцией погрешности должна содержать кроме устройства коррек-
Рис. 2.16. Уточненная схема устройства коррекции мультипликативной погрешности
Рис. 2.16. Уточненная схема устройства коррекции мультипликативной погрешности
Рис. 2.15. Общая структурная схема устройства коррекции мультипликативной погрешности
ции УК, термоэлектрического преобразователя ТП и промежуточного измерительного преобразователя ИП (рис. 2.15) управляемый масштабный преобразователь УМП. Корректирующий множитель может быть реализован либо как коэффициент передачи физически существующего преобразователя УМП, либо как коэффициент алгоритма обработки с помощью микропроцессора. Однако практическая реализация устройств мультипликативной коррекции в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 2.15, затруднена из-за высоких требований к точности управляемого масштабного преобразователя. Управляемый масштабный преобразователь включен в прямую цепь измерения, и его погрешность непосредственно входит в погрешность измерения. Это практически исключает применение аналоговых умножающих устройств и затрудняет построение цифровых умножителей, так как разрядность такого управляемого масштабного преобразователя должна быть равна сумме разрядов преобразователя и корректирующего множителя. Необходимо отметить, что корректирующий множитель при таком способе ввода корректирующего воздействия будет иметь разрядность не ниже разрядности измерительного преобразователя.
Для снижения требований к точности масштабного преобразователя его следует включать не в прямую цепь измерения, а в состав устройства коррекции. В прямую цепь измерительного преобразователя включается сумматор См мультипликативного корректирующего воздействия (рис. 2.16), с выхода которого снимается скорректирован* 48
ныА сигнал у*. Ё этом случае погрешность УМП относится не к йсему измеряемому сигналу, а только к сигналу коррекции ук> т. е. является по отношению к погрешности измерения величиной второго порядка малости.
Последний способ введения корректирующего воздействия не может быть назван ни мультипликативной коррекцией [36], так как содержит элементы как аддитивной, так и мультипликативной коррекции, ни функциональной коррекцией, так как корректирует только мультипликативную составляющую погрешности. Поэтому его удобно назвать комбинированным.
Рис. 2.17. Аппроксимация погрешности измерительного преобразователя ступенчатой функцией
Следует отметить, что в данной структурной схеме при формировании корректирующего воздействия могут многократно выполняться операции умножения в соответствии с алгоритмами мультипликативной или функциональной коррекции (в том числе и вычислительным путем), однако ввод корректирующего воздействия всегда должен осуществляться с помощью операции суммирования (через аппаратно или программно реализованный сумматор).
В частности, даже сложная функция Ук=}(у), описывающая погрешность измерительного преобразователя, может быть аппроксимирована ступенчатой функцией (рис. 2.17). При этом в устройстве коррекции реализуются: во-первых, операция сравнения измеренного значения входной величины у с числовой последовательностью уь отражающей диапазон разбиения функции погрешности ЦуУ, во-вторых, операция выборки из устройства памяти значений поправки ук1э соответствующих найденному диапазону разбиения.
Описанный метод коррекции обеспечивает достижение максимальной точности ввода корректирующего воздействия при минимальных аппаратурных затратах. Поэтому все рассмотренные далее варианты устройств коррекции основаны на комбинированном методе.
При коррекции аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности измерительного канала (т. е. кусочно-линейной аппроксимации кривой погрешности измерительного канала) возникают две задачи, которые отсутствуют при коррекции аддитивной составляющей погрешности. Первой задачей является устранение погрешности, обусловленной взаимным влиянием обеих составляющих погрешности при определении поправки в режиме «Калибрование» (математически это 4-5074 49
соответствует решению системы двух уравнений с двумя неизвестными). Второй задачей является реализация операции умножения при коррекции погрешности ТП в режиме «Измерение» с возможно меньшими аппаратурными затратами.
Рассмотрим возможности реализации коррекции аддитивной и мультипликативной погрешностей в автоматическом потенциометре постоянного тока. В качестве устройства аналогового умножения может быть использована мостовая цепь, в одно из плеч которой включен дополнительный реохорд, жестко механически связанный с реверсивным двигателем автоматического потенциометра. Питание мостовой цепи следует осуществлять от цифро-аналогового преобразователя. Для устранения взаимного влияния мультипликативного и аддитивного корректирующих воздействий параметры измерительной и мостовой цепей должны быть выбраны таким образом, чтобы при температуре, соответствующей первой точке калибрования, обе цепи были уравновешены (их выходное напряжение должно быть равно нулю). Так как температура (а значит, и термо-ЭДС ТП) в первой точке калибрования не равна нулю, компенсация термо-ЭДС ТП в этой точке может осуществляться подключением ко входу сумматора См в режиме «Измерение» образцового напряжения, соответствующего номинальной термо-ЭДС ТП в первой точке калибрования.
Структурная схема устройства коррекции на основе автоматического потенциометра постоянного тока представлена на рис. 2.18. В режиме «Калибрование» на вход этой схемы из устройства идентификации фазового перехода поступают два сигнала. Первый из них ^Калибрование) открывает ключи Кл1 и Кл2, обесточивает с помощью ключа КаЗ измерительную цепь ИЦ и с помощью ключа Кл4 обеспечивает подачу выходного сигнала усилителя Ус на вход фазочувствительного компаратора ФчК. Второй сигнал (Номер точки) переключает управляемый делитель напряжения УДН таким образом, чтобы при калибровании во второй точке на вход сумматора См поступало напряжение источника образцового напряжения ИОН, соответствующее номинальной термо-ЭДС ТП в этой точке калибрования. Кроме того, сигнал Номер точки разрешает открыть ключ Кл1 при калибровании в первой точке или ключ Кл2 при калибровании во второй точке.
При калибровании в первой точке разность термо-ЭДС ТП и образцового напряжения ИОН, соответствующего номинальной термо- ЭДС ТП в этой точке, поступает на вход усилителя Ус (мостовая цепь при этом уравновешена, а ИЦ обесточена). Выходной сигнал Ус воздействует на ФчК, который разрешает открыться ключу Ка1. Так как ключ Кл2 закрыт сигналом Номер точки, импульсы генератора тактовых импульсов ГТ И через ключ Кл1 поступают на счетчик Сч1. Код, записанный в регистре счетчика Сч1, преобразуется корректирую- 50
щим цифро-аналоговым преобразователем ЦАП-1 в напряжение, компенсирующее погрешность ТП в первой точке калибрования. После смены фазы управляющего напряжения на выходе усилителя Ус сигнал с выхода фазочувствительного компаратора ФчК закрывает ключ Кл1, процесс калибрования в первой точке на этом заканчивается.
При калибровании во второй точке коррекция погрешности измерительного канала осуществляется аналогично, только под действием сигнала Номер точки с управляемого делителя напряжения УДН
Рис. 2.18. Структурная схема устройства коррекции мультипликативной погрешности на основе автоматического потенциометра
на сумматор См подается напряжение, соответствующее номинальной термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода второй точки. Импульсы ГТИ подаются на счетчик Сч2 с помощью ключа Кл2. Погрешность ТП корректируется выходным напряжением мостовой цепи МЦ. Так как на выходе ЦАП1 при этом сформировано напряжение, корректирующее аддитивную составляющую погрешности, выходное напряжение МЦ компенсирует лишь мультипликативную составляющую погрешности.
В режиме «Измерение» ключ ДлЗ подключает блок питания БП к ИЦ, а ключ Кл4 — двигатель Д к выходу усилителя Ус. В См осуществляется алгебраическое суммирование выходных напряжений УДН, ЦАП1, МЦ и термо-ЭДС ТП. При перемещении подвижного контакта реохорда, входящего в состав ИЦ, перемещается подвижный контакт
дополнительного реохорда Кд0И и выходное напряжение МЦ изменяется прямо пропорционально разности текущей температуры и температуры фазового перехода реперного материала в первой точке калибрования. Это напряжение компенсирует мультипликативную составляющую погрешности измерительного канала. Линейность нарастания выходного напряжения МЦ относительно изменения измеряемой температуры обеспечивается выбором эквивалентного сопротивления плеч, подключенных к выходу ЦАП2, намного большим по сравнению с сопротивлением реохорда /?ДОп. Необходимость предварительного определения знака погрешности ТП исключается методом, описанным в § 2.3.
Погрешность измерительного канала автоматического потенциометра с калиброванием в двух точках практически полностью соответствует погрешности автоматического потенциометра с одноточечным калиброванием, однако в значительно более широком диапазоне температур (250—300 °C).
При построении цифровых измерительных преобразователей температуры с автоматическим калиброванием в двух точках в состав устройства коррекции мультипликативной составляющей погрешности необходимо ввести устройство умножения. Аппаратурные затраты на реализацию устройств умножения в цифровой форме сравнимы с аппаратурными затратами на весь измерительный преобразователь. Аппаратурные затраты на аналоговое устройство умножения также довольно велики. Поэтому наиболее целесообразно применить устройства коррекции, использующие для выполнения операции умножения в косвенной форме специфические особенности аналого-цифрового преобразования.
Чаще всего цифровые измерители температуры строятся на базе аналого-цифровых преобразователей двухтактного интегрирования, обладающих высокими метрологическими характеристиками, в том числе хорошей помехозащитой. Косвенное умножение в таких аналого-цифровых преобразователях следует осуществить на основе того, что в первом такте интегрирования изменение напряжения, поданного на вход интегратора, оказывает аддитивное влияние на результат преобразования, а во втором — мультипликативное. Разделение взаимного влияния корректирующих воздействий по аддитивной и мультипликативной составляющим может быть достигнуто путем подачи напряжения смещения для соответствующего сдвига начала диапазона преобразования в первую точку калибрования. Восстановление кода температуры на выходе аналого-цифрового преобразователя производится, например, с помощью сумматора и постоянного запоминающего устройства, в котором записан код температуры фазового перехода реперного материала в первой точке калибрования.
Структурная схема цифрового измерительного преобразователя с кусочно-линейной аппроксимацией кривой погрешности измерительного
канала представлена на рис. 2.19. Собственно аналого-цифровой преобразователь двухтактного интегрирования на структурной схеме упрощенно приведен в виде совокупности предварительного входного усилителя Ус, ключевого устройства КлУ, источника образцового напряжения ИОН, интегратора Инт и устройства управления УУ, в которое вошли все остальные узлы преобразователя.
Рис. 2.19. Структурная схема устройства коррекции на базе АЦП двухтактного интегрирования
При калибровании в первой точке из устройства идентификации фазового перехода поступают два сигнала. По сигналу Калибрование разрешается заполнение счетчиков Сч1 и Сч2, а по сигналу Номер точки — счетчика Сч1. В первом такте интегрирования на вход Инт через предварительный усилитель Ус и КлУ поступает термо-ЭДС ТП и выходное напряжение управляемого делителя напряжения УДН. Последнее включается встречно термо-ЭДС ТП и соответствует номинальному значению термо-ЭДС ТП в первой точке калибрования с учетом коэффициента усиления предварительного усилителя Ус. Во втором такте КлУ подключает ко входу интегратора Инт источник образцового напряжения ИОН и разность напряжений, поступившая на вход ИнТ в первом такте, преобразуется В код. Этот код через цепь гальванической развязки ЦГР поступает на счетчик Сч1 (существенное снижение аппаратурных затрат на построение ЦГР может быть достигнуто, например, применением последовательного числоимпульсного кода). Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП1 преобразует код, записанный в регистре счетчика Сч1, в напряжение, корректирующее аддитивную составляющую погрешности измерительного канала.
При калибровании во второй точке по сигналу Номер точки начинает заполняться импульсами счетчик Сч2. Одновременно с этим УДН переключается таким образом, чтобы в нервом такте на вход Инт кроме усиленной термо-ЭДС ТП и выходного напряжения ЦАП1 поступало противоположное по полярности образцовое напряжение. Последнее соответствует номинальной термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода во второй точке калибрования (с учетом коэффициента усиления предварительного усилителя Ус). Во втором такте интегрирования ко входу Инт подключается образцовое напряжение. Разность напряжений, полученная в первом такте интегрирования, преобразуется в код, который с помощью цепи гальванической развязки ЦГР поступает на счетчик Сч2. Процесс калибрования на этом заканчивается.
В режиме «Измерение» в первом такте интегрирования кроме усиленной термо-ЭДС ТП на вход Инт подается выходное напряжение УДН, соответствующее номинальному значению термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода реперного материала калибра в первой точке калибрования, а также выходное напряжение ЦАП1. Таким образом осуществляется коррекция аддитивной составляющей погрешности. Во втором такте интегрирования ко входу Инт подключаются ИОН и ЦАП2 и выполняется коррекция мультипликативной составляющей погрешности.
Характеристику преобразования описанного АЦП двухтактного интегрирования можно представить в виде уравнения [41]
Ч^ус^тп/^' ^удн^ион/^ + ^ЦАП1/^) =
= ч(^ион/^ + ^цашЖ),(219)
где ^yc — коэффициент усиления усилителя Ус; £тп— термо-ЭДС ТП; ^yдн— коэффициент деления управляемого делителя напряжения в первой точке калибрования; U^№—выходное напряжение ИОН; ^ЦАП1’ ^ЦА 2—выходные напряжения ЦАП1 и ЦАП2; RC—постоянная времени интегратора; Ть т2— длительности первого и второго тактов интегрирования соответственно.
Преобразовав (2.19) и выделив из него т2 (являющееся мерой, адекватной измеряемой температуре), получим
т2 = (^ус^тп —^удн^ион + ^ЦАП1)Т1/(^ион + ^цаге)- (2.20)
При отсутствии аддитивной составляющей погрешности измерительного канала и равенстве измеряемой температуры температуре в первой точке калибрования числитель (2.20) обращается в нуль независимо от выходного напряжения ЦАП2, т. е. коррекция мультипликативной составляющей погрешности не будет влиять на аддитивную составляющую.
54
Восстановление числового значения температуры производится с помощью сумматора См, подключенного к выходу аналого-цифрового преобразователя. На второй вход сумматора См из ПЗУ подается код, соответствующий значению температуры в первой точке калибрования. Заметим, что См можно исключить из схемы путем предварительной установки выходного счетчика, входящего в состав УУ, в состояние, соответствующее значению температуры в первой точке калибрования.
Точность коррекции с помощью рассмотренного устройства примерно соответствует точности устройства (см. рис. 2.14), но в более широком диапазоне преобразуемых температур.
При увеличении числа калибруемых точек (/>2) статическая характеристика устройства коррекции должна аппроксимироваться полиномиальной функцией, коэффициенты которой определяются согласно (2.9). Спроектировать специализированное вычислительное устройство, аппаратно реализующее алгоритм решения системы уравнений (2.8) хотя бы второй степени (/=3), весьма сложно, и введение его в состав измерительного преобразователя нецелесообразно.
При наличии в составе измерительного преобразователя программируемых вычислительных устройств (например, на основе микропроцессора) целесообразна программная реализация алгоритма для коррекции нелинейной составляющей погрешности. Вместе с тем использование ступенчатой функции для аппроксимации кривой погрешности ТП (см. рис. 2.17) позволяет реализовать достаточно простые устройства коррекции нелинейной составляющей погрешности даже при значительной кривизне функциональной зависимости погрешности ТП, В таких устройствах целесообразно ввести цифровую коррекцию по выходу (см. рис. 2.13). Для этого в состав цифрового измерительного преобразователя кроме оперативного запоминающего устройства (с хранимыми значениями поправок), постоянного запоминающего устройства (с жестко хранимыми значениями температур фазовых переходов реперных материалов калибратора) и коммутатора кодов необходимо ввести дешифратор точек калибрования и дешифратор участков коррекции. Первый из введенных дешифраторов обеспечивает выбор кода в текущей точке калибрования, а второй — выборку кодов из оперативного запоминающего устройства в режиме «Измерение». В результате разделения функции этих дешифраторов достаточно легко осуществляется сдвиг участков кривой коррекции по отношению к значениям температуры фазовых переходов реперных материалов калибратора, что дает возможность существенно снизить погрешность, обусловленную аппроксимацией кривой погрешности ТП ступенчатой функцией.
Структурная схема устройства коррекции, построенного на изложенном принципе, представлена на рис.2.20.
В режиме «Калибрование» на вход схемы поступает сигнал Ка-
Либрование й с помощью коммутатора кодов КК ко вкоду сумматора См подключается выход постоянного запоминающего устройства ПЗУ. В ПЗУ в дополнительном коде хранятся значения температур фазовых переходов реперных материалов для всех точек калибрования. Выбор кода, соответствующего текущей точке калибрования, осуществляется в дешифраторе температуры ДтТ. На выходе См формируется код поправки, соответствующей погрешности измерительного канала при текущей температуре фазового перехода. Этот код
Рис. 2.20. Структурная схема устрой ства коррекции на основе ступенча той функции
под действием выходного сигнала дешифратора кода ДтК записывается в соответствующую ячейку оперативного запоминающего устройства ОЗУ. При последовательном калибровании с использованием многоточечного калибратора все ячейки ОЗУ заполняются кодами поправок.
В режиме «Измерение» термо-ЭДС ТП, преобразованная АЦП в код, поступает на См, на второй вход которого под действием ДтК через КК подается код поправки из ОЗУ.
Рассмотренная схема при относительно малых аппаратурных затратах позволяет произвести коррекцию нелинейной составляющей погрешности измерительного канала в широком диапазоне температур. Однако приемлемую по точности аппроксимацию кривой погрешности измерительного канала в широком диапазоне измеряемых температур ступенчатой функцией можно осуществить только при сравнительно большом количестве точек калибрования, что резко усложняет конструкцию самого калибратора. Во избежание этого в режиме «Калибрование» следует создать возможность сопряжения измерительного преобразователя с ЭВМ, которая по трем-четырем точкам калибрования выполнит аппроксимацию кривой погрешности измерительного канала и рассчитает по нему поправки, соответствующие участкам коррекции в ДтК. Эти поправки записываются впоследствии в ОЗУ. Количество участков коррекции может быть равно десяти и более, что с запасом обеспечивает требуемую точность аппроксимации кривой погрешности измерительного канала ступенчатой функцией. Такой ал56
горитм процесса калибрования позволяет снизить нагрузку на процессор ЭВМ, и его применение является целесообразным, например, в АСУ ТП* со сложными законами управления и высокой загрузкой процессора управляющей ЭВМ.
Отметим, что как в схемах коррекции аддитивной составляющей погрешности (см. § *2.3), так и в рассмотренных схемах счетчики и запоминающие устройства, в которых хранятся коды поправок, должны иметь резервное автономное питание. Для этого их рекомендуется строить на базе микросхем, изготовленных по КМОП-технологии.
Глава третья
СРЕДСТВА ТОЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Автоматический потенциометр постоянного тока с калиброванием измерительного канала
Автоматические потенциометры постоянного тока получили широкое распространение в промышленности при измерении и регулировании температуры. Однако в ряде случаев их точность не соответствует возросшим требованиям современного производства. Для устранения этого несоответствия применительно к серийно выпускаемому автоматическому потенциометру КСПЗ [1] разработан вставной блок, обеспечивающий совместную работу потенциометра с ТП со встроенным одноточечным калибратором. Идентификация фазового перехода реперного материала калибратора осуществляется схемой, реализующей алгоритм, определяемый выражением (2.13) (см. рис. 2.5), а коррекция — четырехразрядным цифро-аналоговым преобразователем, построенным по структурной схеме (см. рис. 2.12).
На рис. 3.1 приведена принципиальная электрическая схема потенциометра КСПЗ с введенными в его состав платами блока питания БП, калибрования ПлК, а также резисторами RI'—*R4', конденсаторами СГ, С 2' аккумуляторной батареей БГ—БЗ', лампочкой ЛГ, тумблером В Г и трансформатором ТрГ (все введенные элементы помечены штрихом). Кроме того, в состав усилителя УПД1-03 введена плата фазочувствительного компаратора ФчК. Для исключения наводок эта плата размещена непосредственно на усилителе. Резисторы RV—R4' образуют делитель источника образцового напряжения. Питание делителя осуществляется током источника питания измерительной цепи на протяжении времени, необходимого для формирования поправки. На это время цепь реохорда (R4—R8^ отключается. Для питания платы калибрования ПлК используется напряжение 4-5 В от стабилизатора блока питания. Входное напряжение стабилизатора питает реле платы ПлК. Автономное питание счетчика, выступающего р роли устройства запоминания поправки при отключении сети, осу-
Рис. 3.1. Принципиальная электрическая схема автоматического потенциометра с калиброванием измерительного канала
ществляется аккумуляторной батареей БГ—БЗ'. Применение аккумуляторов Д-0,25 обеспечивает сохранность значения поправки в памяти в течение 8 ч.
Принципиальная электрическая схема фазочувствительного компаратора представлена на рис. 3.2. В качестве исполнительного элемента в фазочувствительном компараторе применено герконовое реле Р1 (типа РЭС-64), которое обеспечивает гальваническую развязку ФчК со схемой платы калибрования и нечувствительность к импульсным помехам малой длительности. Реле Р1 срабатывает при одновременном насыщении транзисторов Т2 и ТЗ. На Т2 поступает отрицательная полуволна выходного сигнала предвыходного каскада усилителя потенциометра, усиленная транзистором Т1. Транзистор Т2 насыщается при наличии на входе усилителя напряжения разбаланса измерительной цепи потенциометра, а транзистор ТЗ — отрицательной полуволной однополупериодного выпрямителя. Поэтому реле Р1 срабатывает лишь при совпадении отрицательных полуволн на базах Т1 и ТЗ, т. е. при превышении термо-ЭДС ТП компенсирующего напряжения измерительной цепи. Выходной сигнал фазочувствительного компаратора формируется в момент замыкания контактов реле Р1, подключенных к схеме платы калибрования.
Рис. 3.2. Принципиальная электрическая схема фазочувствительного компаратора
Рис. 3.3. Принципиальная электрическая схема платы калибрования
Принципиальная электрическая схема платы калиброванйя представлена на рис. 3.3. Она содержит согласующий каскад (Т2 и ТЗ), генератор (Т1, У/-/), счетчик совпадений (УЗ), цифро-аналоговый преобразователь (У4, R10—R18), два триггера (У1 -3, У1-4 и У5-1, У5-2), две схемы задержки (У 2-2 и У5-4) и два ключа (Т4 и Т5), управляющие работой реле (Р/—РЗ), а также вспомогательные элементы. После включения тумблером ВР (см. рис. 3.1) режима «Калибрование» на входе Н платы калибрования формируется импульс, перебрасывающий триггер (У 1-3, У1-4). По выходному сигналу триггера заполняется счетчик УЗ, сбрасывается счетчик цифро-аналогового преобразователя У4 и перебрасывается триггер (У5-1, У5-2). Если термо-ЭДС ТП на входе усилителя превышает компенсирующее напряжение измерительной цепи, то контакты реле Р1 фазочувствительного компаратора (см. рис. 3.2) замыкаются, при этом на вход 6 платы калибрования подается напряжение -]-5 В. Транзистор ТЗ насыщается, с помощью У1 -2 сбрасывается счетчик УЗ и закрывается Т4. В этот момент реле Р1 платы калибрования своими нормально замкнутыми контактами подключает двигатель следящего привода потенциометра к выходу усилителя. Двигатель уравновешивает схему и напряжение на входе усилителя приводится к 0. Транзистор ТЗ закрывается, сигнал сброса со счетчика УЗ снимается, и счетчик начинает заполняться импульсами генератора (Т1, У1-1). При этом транзистор Т4 насыщается и с помощью Р1 двигатель отключается от выхода усилителя. Дальнейшее повышение температуры рабочего конца ТП* приводит к повторению описанного процесса периодического уравновешивания измерительной цепи.
При достижении фазового перехода (плавлении реперного материала калибратора) температура рабочего конца ТП остается постоянной и реле Р1 фазочувствительного компаратора (см. рис. 3.2) не срабатывает. Напряжение логической 1 сохраняется на коллекторе транзистора ТЗ в течение времени, достаточного для переполнения счетчика УЗ импульсами генератора у1, У1-1).
После переполнения выходной импульс счетчика УЗ перебрасывает триггер (У5-1, У5-2), разрешая тем самым прохождение импульсов через У2-1, запуск схемы задержки У5-4, насыщение транзистора Т5 и переключение реле Р2 и РЗ. Реле Р2 своими контактами отключает вход усилителя от реохорда измерительной цепи и подключает его к выходу источника образцового напряжения, питание на делитель которого подается с помощью контактов реле РЗ. Выходное напряжение источника образцового напряжения по сравнению с номинальной термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода реперного материала калибратора выбрано меньшим на значение, равное максимальной корректируемой погрешности ТП (в данной схеме 10°C). Поэтому на выходе усилителя вновь образуется напряжение разбаланса, приводящее к срабатыванию реле Р1 фазочувствительного компа- 60
ратора (см. рис. 3.2). На коллекторе транзистора ТЗ появится напряжение логического 0 и на' счетчик У4 поступят импульсы с генератора (Г/, У1-1). Однако счетчик У4 начнет заполняться только после некоторой временной задержки, определяемой У5-4 (около 100 мс) и обусловленной переходными процессами в усилителе. По мере заполнения счетчика У4 текущее значение кода преобразуется на выходе цифро-аналогового преобразователя (резисторы R10—R18) в напряжение, постепенно компенсирующее погрешность ТП. В момент полной компенсации погрешности ТП сигнал разбаланса на выходе усилителя изменит фазу. Реле, входящее в состав фазочувствительного компаратора, перестанет срабатывать, и на коллекторе ТЗ установится сигнал логической 1. Этот сигнал через У1-2 закроет У2-1 (запретит поступление импульсов на счетчик У4) и с помощью схемы задержки У2-2 сбросит триггер (У1-3, У1-4), окончательно заперев тем самым входы счетчика У4 и транзисторы Т4, Т5. При этом реле Р1 подключает двигатель следящего привода к выходу усилителя, а реле Р2 и РЗ подключают реохорд и источник питания к измерительной цепи. Лампочка Л Г (см. рис. 3.1) загорается, индицируя конец процесса калибрования. Оператор возвращает тумблер В Г (см рис. 3.1) в положение Измерение. При этом выход триггера (У 1-3, У1-4) закорачивается на землю, чем подтверждается его состояние и исключается возможность сбоя в режиме «Измерение».
Конструктивно плата калибрования помещена внутри корпуса потенциометра. В ней применены микросхемы серии К155, транзисторы КТ315Б, диоды КД522А, реле РЭС-10 и РЭС-15, резисторы МЛТ-0,25. Так как суммирование термо-ЭДС ТП и корректирующего напряжения осуществляется путем последовательного соединения цепей, к экранировке дополнительного трансформатора Тр1, применяющегося . длй питания платы калибрования, предъявляются повышенные требования. Сетевая обмотка Тр1 должна быть отделена от вторичной защитным экраном (фольга или специальная стенка), а еще лучше для, изготовления Тр1 применить П-образное железо с размещением первичной и вторичной обмоток на разных стержнях.
На погрешность измерения температуры с помощью описанного потенциометра дополнительно влияет паразитная ЭДС, наблюдаемая в момент переключения контактов реле Р2 (РЭС-15) в цепи реохорда. Значение этой паразитной ЭДС не превышает 15 мкВ, и ею (с учетом чувствительности ТП градуировки хромель-алюмель) можно пренебречь. При применении ТП градуировки ПП и ПР погрешность, обусловленная влиянием паразитной ЭДС, становится уже заметной (особенно при узких пределах измерения). Для ее исключения в схему потенциометра необходимо ввести дополнительный источник питания, аналогичный источнику питания измерительной цепи, и подключить его с помощью Р2 к делителю источника образцового напряжения.
Испытание потенциометра в комплекте с ТП градуировки хромель-
алюмель со встроенным калибратором показали, что погрешность измерения температуры в диапазоне 400—900 °C не превышает 1,5 °C (с учетом погрешности ТП) при условии, что температура фазового перехода реперного материала калибратора отличается от измеряемой не более чем на 50 °C.
Четырехканальный цифровой измеритель температуры
Особенно эффективно введение цепей калибрования и коррекции погрешности измерительного канала в состав цифровых измерителей температуры. Современные аналого-цифровые преобразователи имеют высокие метрологические характеристики. Однако эффективность их применения в измерителях температуры резко снижается из-за больших погрешностей датчиков. Рассмотрим преобразователь измерительный аналого-цифровой Ф4835, в одной из модификаций которого обеспечено калибрование в одной точке измерительного диапазона по всем четырем каналам. Преобразование термо-ЭДС ТП в код осуществляется в аналого-цифровом преобразователе Ф4833. Предварительно термо-ЭДС ТП приводится к необходимому уровню блоком аналогового преобразователя, структурная схема которого приведена на рис. 3.4 [39].
В этом преобразователе последовательно выполняются следующие операции:
выравнивание температуры свободных концов ТП, производимое с помощью специального термовыравнивателя;
коммутация сигналов четырех ТП с помощью реле с магнитоуправляемыми контактами, снабженными термовыравнивателями, конструктивно совмещенными с термовыравнивателем свободных концов. Коммутация для снижения воздействия помех общего вида ведется по обоим термоэлектродам ТП;
компенсация термо-ЭДС свободных концов ТП с помощью мостовой схемы с медными термометрами сопротивления в плечах и в выходном термочувствительном делителе, причем термометры сопротивления размещены в корпусе термовыравнивателя;
усиление термо-ЭДС ТП с помощью усилителя постоянного тока с МДМ каналом;
линеаризация градуировочной характеристики ТП путем кусочнолинейной аппроксимации ее с помощью переключения цепей обратной связи усилителя и источника смещения по сигналам управления, поступающим с устройства управления дискретного;
коррекция аддитивной погрешности с помощью регулируемого источника смещения [2]. Так как цепи коррекции индивидуальны для каждого канала, подача сигнала на аналого-цифровой преобразователь Ф4833 осуществляется с помощью коммутатора цепей коррекции;
имитация термо-ЭДС ТП с номинальной градуировочной характеристикой с помощью источника образцового напряжения, подключаемого в режиме «Калибрование» на вход усилителя с помощью реле. 62
Для питания аналоговой части преобразователя предусмотрен блок питания, обеспечивающий выдачу стабилизированных напряжений 5, 9 и ±15 В, а также нестабилизированного 12 В для питания реле.
Дискретная часть (УД) управляет аналоговой частью и синхронизирует работу всего преобразователя. В режиме «Измерение» после поступления импульса запуска от внутреннего или внешнего генератора триггер цикла перебрасывается и запускает формирователь, выходной импульс которого после задержки схемой задержки 1 (для окончания переходных процессов в усилителе ОУ) осуществляет первый запуск преобразователя Ф4833. В процессе аналого-цифрового преобразования по выходному коду определяется (дешифруется дешифратором) номер участка и запоминается в промежуточном запоминающем устройстве, а затем шифруется шифратором в двоичном коде. По поступлении на преобразователь Ф4833 положительного фронта импульса Считывание, соответствующего концу преобразования, этот номер участка запоминается запоминающим устройством номера участка в соответствии с выбранным каналом и поступает в аналоговую часть, производя соответствующие переключения в цепях усилителя ОУ. После задержки происходит повторный запуск преобразователя Ф4833, который преобразует термо-ЭДС в код, обеспечивая отсчет результата в градусах Цельсия. После повторного поступления импульса Считывание триггер цикла возвращается в исходное состояние, чем и заканчивается цикл преобразования.
В схеме предусмотрены ручной и дистанционный выбор канала преобразования и дополнительная схема задержки 2 для обеспечения надежного запуска преобразователя при включении сети.
С целью получения необходимых параметров импульсов для нормальной работы отдельных узлов преобразователя в схему введены формирователи импульсов. Питание схемы осуществляется от стабилизатора с выходным напряжением 5 В.
Устройство идентификации фазового перехода реперного материала калибратора выполнено по схеме рис. 2.8, а устройство коррекции— по схеме рис. 2.14. Устройство идентификации фазового перехода конструктивно размещено на двух печатных платах в дискретной части прибора, а устройство коррекции — на одной плате в аналоговой части.
Принципиальная электрическая схема первой платы устройства идентификации (таймера) представлена на рис. 3.5, а второй (устройства управления калиброванием УУК) — на рис. 3.6. При включении оператором режима «Калибрование» на схему устройства идентификации подается напряжение питания. При этом пусковая цепь (транзистор Т1, микросхема У3-1) устанавливает в начальное состояние триггеры У2-2, У2-3, УЗ-2, УЗ-З и через схему монтажное ИЛИ (диод Д3) посылает импульс сброса счетчика коррекции соответствующего канала. После включения питания импульсы частотой 1 МГц генератора
тактовых импульсов (плата таймера) с кварцевой стабилизацией частоты начинают заполнять два шестиразрядных счетчика. Выходные импульсы счетчиков поступают на формирователи (У/-/, У/-2 и У1-3, У1-4). Выходной сигнал формирователей У1-1, У1-2 поступает на запуск аналого-цифрового преобразователя, выходной сигнал
Рис. 3.4. Структурная схема преобразователя
формирователей У1-3, У1-4 в противофазе — на две схемы И—НЕ (У4-2, У4-3). На эти же схемы из аналого-цифрового преобразователя поступает продифференцированный формирователем У2-1, У4-1 импульс Считывание, положительный фронт которого соответствует концу преобразования. При постоянстве термо-ЭДС ТП происходит совпаде-
5-507^
65
Рис. 3.5. Принципиальная электрическая схема платы устройства ИФП и таймера
Рис. 3.6. Принципиальная электрическая схема платы устройства управления калиброванием
ние импульсов на схеме У4-3, выходной сигнал которой поступает на сметный вход счетчика Уб, а при непостоянстве термо-ЭДС ТП наблюдается совпадение импульсов на схеме У4-2. Выходной сигнал У4-2 сбрасывает счетчик Уб и счетчики У2, У 5, У7, У9, У11, У13 на плате таймера. В момент достижения температуры фазового перехода реперного материала калибратора счетчик Уб переполняется и триггер У2-2, У2-3 перебрасывается, подключая встречно термо-ЭДС ТЦ
co
Источник образцового напряжения (сигнал с выхода У2-^ и разрешая прохождение импульсов последовательного кода через УЗ-4. В следующем цикле преобразования последовательный число-импульсный код результата преобразования через делитель У5 (согласующий дискретность число-импульсного кода с дискретностью корректирующего цифро-аналогового преобразователя) и УЗ-4 поступает на счетчик цифро-аналогового преобразователя. Импульс считывания, поступающий ио окончании цикла преобразования, возвращает триггер У 2-2, У2-3 в исходное состояние. При этом сбрасывается триггер УЗ-2, УЗ-З и процесс коррекции заканчивается.
Принципиальная электрическая схема платы устройства коррекции представлена на рис. 3.7. Она содержит четыре корректирующих цифро-аналоговых преобразователя ЦАП1—ЦАП4, выполненных на базе счетчиков 1У2—4У2 (К176ИЕ2) с резисторной сеткой на выходе и цепями управления 1У1—4У1. В состав схемы также входят элементы источника образцового напряжения ^R2, R4, реле Р1, транзистор Т1), формирователь счетных импульсов У5-1, временной селектор импульсов сброса У5-2, дешифратор номера канала, состоящий из Уб, Т2—Т7, реле подключения корректирующего напряжения согласно выбранному каналу Р2—Р5 и стабилизатор питания на транзисторе Т8. Гальваническая развязка сигналов обеспечивается оптронами У1—У4 (К262КП1А), а подключение резервного питания — диодным ключом Д11, Д13. При переводе прибора в режим «Калибрование» на устройство коррекции поступает импульс длительностью 200—300 мс, сбрасы-
ГГБлок ИЛБлок ИЛL.L.[" Чстройстбо I УД[" Чстройстбо I УДRRСБ«—Д^СБ«—Д^Абтома-\ти ческаяАбтома-\ти ческаяТ БГТ БГГБГБjj^Измерение, ^али^рО^анирI Б1 [57^'^Измерение, ^али^рО^анирI Б1 [57^'Ф№3Ф№3вРгвРг—«—»—Г—«—»—Гtt— !■н^—»1— !■н^—»1УУК I ! ТаймерУУК I ! ТаймерП IД1'П IД1'конец калиброванияконец калибрования.4.4
Г
Г
Блок ИЛ
Блок ИЛ
L.
L.
[" Чстройстбо I УД
[" Чстройстбо I УД
R
R
СБ
«—
Д^
СБ
«—
Д^
Абтома-\ти ческая
Абтома-\ти ческая
Т БГ
Т БГ
ГБ
ГБ
j
j
^Измерение, ^али^рО^анир
I Б1 [57^'
^Измерение, ^али^рО^анир
I Б1 [57^'
Ф№3
Ф№3
вРг
вРг
—«—»—Г
—«—»—Г
t
t
— !
■н^—»1
— !
■н^—»1
УУК I ! Таймер
УУК I ! Таймер
П I
Д1'
П I
Д1'
конец калибрования
конец калибрования
.4
.4
Рис. 3.8. Схема подключения плат устройств калибрования к узлам преобразователя
68
бающий счетчик корректирующего аналогового преобразователя в соответствующем канале. Этот импульс проходит через У5-2 с задержкой, определяемой емкостью С1. Импульсы последовательного кода из-за своей малой длительности (4 мкс) проходят только через У5-1, так как емкость С/ не успевает зарядиться за время действия импульсов на входе У5-2. Схема подключения плат устройства калибрования к остальным узлам преобразователя представлена па рис. 3.8. В схеме сохранена нумерация контактов плат преобразователя Ф4835, а связи платы устройства управления обозначены малыми буквами. Плата Устройство коррекции устанавливается вместо платы коммутатора. Источник резервного питания (аккумуляторная батарея 7Д-0,1) и тумблер В2', позволяющий отключить коррекцию погрешности ТП (для поверки и калибровки схемы линеаризации), размещены на задней панели прибора.
Погрешность в окрестности точки калибрования соответствует погрешности схемы (см. рис. 2.14). Погрешность линейности (в Ф4835 не превышает ±0,4 °C) устраняется лишь в точке калибрования. В связи с этим погрешность преобразователя Ф4835 рассмотренной модификации при измерении температуры в диапазоне 300—И00 °C в комплекте с ТП градуировки хромель-алюмель, как показали испытания, не превышает 1,1 °C в пределах /ф.п ± (20-5-30) °C, где /ф.п— температура фазового перехода реперного материала калибратора.
Цифровой измеритель температуры с коррекцией мультипликативной погрешности
Измерительные преобразователи температуры с одноточечным калиброванием позволяют существенно повысить точность только в окрестности температуры фазового перехода реперного материала калибратора. Вместе с тем в ряде случаев, например при термообработке металлов и сплавов со сложным алгоритмом изменения температуры выдержки и проведении научных исследований, требуется обеспечить высокую точность измерения в более широком диапазоне температур. На базе аналого-цифрового преобразователя Ф4833 разработав одноканальный цифровой измеритель температуры с калиброванием в двух точках диапазона измерения.
Функциональная схема измерителя представлена на рис. 3.9. Устройство идентификации фазового перехода в этом приборе построено на базе схемы рис. 2.11, а устройство коррекции — на базе схемы рис. 2.19. Суммирование кода температуры фазового перехода в первой точке калибрования с текущим значением температуры (для исключения взаимного влияния коррекций аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности) осуществляется путем предварительной записи в режиме «Измерение» значения этого кода в выходной счетчик аналого-цифрового преобразователя АЦП. Линеаризация функции преобразования достигается суммированием выходного кода
АЦП с кодом поправки из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Адресация ПЗУ осуществляется выходным кодом АЦП.
Схема собственно АЦП двухтактного интегрирования содержит аналоговый усилитель Ус, интегратор Инт, тактовый генератор ГТ И, ключи Кл1—Кл4, устройство управления УУ и выходной счетчик Сч1. Кроме измеряемой термо-ЭДС ТП на вход Ус поступает напряжение компенсации термо-ЭДС ТП свободных концов от источника ТСК> а также напряжение смещения от источника образцового напряжения ИОН, равное номинальной термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода в первой точке калибрования (полярность этого смещения противоположна измеряемому сигналу). Через ключ Кл1 на вход аналоговой части АЦП в противофазе с измеряемым сигналом может подключаться напряжение смещения, равное номинальной термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода во второй точке калиброва-
Рис. 3.9. Функциональная схема измерителя температуры с двухточечным калиброванием
70
НИЯ. Напряжение смещения поступает на аналоговую часть АЦП через резисторы R3 и R4 от источника образцового напряжения ИОН.
Калибрование измерительного канала преобразователя производится после нажатия кнопки Пуск в режиме постоянного нагрева или охлаждения объекта измерения в заданном диапазоне температур. При этом выходной код АЦП через ключевое устройство КлУ посту- пает на сумматор См1, где вычитается из кода предыдущего измерения, записанного в регистре памяти Ре. Значение разностного кода анализируется компаратором кода КпК. Если разностный код на выходе сумматора См1 больше заданного значения (единица предпоследнего разряда АЦП'), блок сумматора разрешает прохождение импульса Конец преобразования АЦП с выхода устройства управления УУ на вход управления регистром Рг и в него записывается код текущего измерения. При совпадении кодов предыдущего и последующего измерений сброс регистра Рг не происходит, а импульс Конец преобразования поступает на счетчик совпадений СчС. Если код следующего измерения отличается от начального кода, записанного в регистре Рг, больше . чем на единицу предпоследнего разряда, то счетчик СчС сбрасывается и в регистре Рг происходит перезапись кодов. При наступлении момента фазового перехода реперного материала калибратора выходной сигнал ТП длительное время остается постоянным, коды начального и любого из последующих измерений совпадают (кроме последнего разряда), что ведет к заполнению счетчика СчС. В результате переполнения СчС его выходной импульс разрешает запись кода разности между выходным сигналом ТП и номинальной термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода в первой точке калибрования (погрешность измерительного канала в первой точке) в регистр цифро-аналогового преобразователя ЦАП1. При дальнейшем измерении температуры объекта поиск момента фазового перехода реперного материала калибратора и операции калибрования повторяются, но уже для другой точки диапазона. При этом на вход усилителя Ус кроме напряжения смещения для первой точки (начало диапазона) через ключ Кл1 подключается напряжение смещения, равное номинальной термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода реперного материала во второй точке калибрования (конец диапазона преобразования). Тогда в ЦАП2 записывается код погрешности, обусловленный мультипликативной составляющей общей погрешности канала измерения. После окончания преобразования при последующих измерениях на вход АЦП через ЦАП1 постоянно поступает напряжение аддитивной поправки, а мультипликативная поправка учитывается интегратором за счет подачи во втором такте интегрирования одновременно с источником образцового напряжения ИОН напряжения с выхода ЦАП2 через резистор R2. В целом воздействие контура коррекции на показания АЦП может быть определено выражением
КЕТП = (и, + UAnu»RMR2)tx/tN +^ЦАШ.
где К — коэффициент усиления термо-ЭДС ТП усилителем Ус; Uo— напряжение ИОН; ^цдш— выходное напряжение ЦАШ; ^цдп2— выходное напряжение ЦАП2; tx — время интегрирования образцового напряжения; tN — время интегрирования #измеряемого сигнала.
Таким образом, измерение сопровождается вводом аддитивной ^цдгп и мультипликативной ^цдп2 поправок, что обеспечивает непрерывную коррекцию погрешности измерительного канала по результатам калибрования в двух точках. Код линеаризующей поправки поступает через КлУ на См1 из ПЗУ, адресация которого осуществляется выходным кодом АЦП.
Отметим, что в процессе калибрования определяется общая погрешность всех элементов измерительной цепи: термоэлектрического преобразователя, линии связи, схемы компенсации термо-ЭДС свободных концов ТП и аналого-цифрового преобразователя. При этом корректируется только систематическая или медленно меняющаяся часть погрешности канала, однако именно эта составляющая общей погрешности схемы является доминирующей. Вторая особенность рассматриваемой схемы состоит в том, что термоэлектрическая неоднородность термоэлектродов ТП первичного преобразователя, которая обычно существенно ограничивает точность поверки, в данном случае не проявляется, так как эпюра температурного поля объекта измерения в процессе калибрования и последующей эксплуатации меняется мало. В связи с тем что измерительный канал охвачен контуром калибрования, инструментальная погрешность измерителя определяется только нестабильностью температуры плавления реперных материалов калибратора, нестабильностью резисторов R3, R4 и R5, а также удвоенной погрешностью дискретности АЦП, возникающей при перезаписи кода в регистры цифро-аналоговых преобразователей.
Расчет точности измерителя, выполненный методом квадратичного суммирования, позволяет оценить технически достижимую инструментальную погрешность измерения температуры в пределах ±0,7 °C.
Испытания измерителя показали, что после проведения калибрования погрешность измерения в диапазоне 600—1000 °C не превышает ±1,5 °C и обусловлена в основном нелинейностью функции поправок ТП.
Измерительная система с автоматическим калиброванием каналов в составе АСУ ТП «Термообработка»
В автоматизированной системе управления технологическим процессом термообработки с помощью ЭВМ «Электроника 60» реализованы функции прямого цифрового управления тепловыми режимами группы термоагрегатов ЭТА-2, оснащенных тиристорными регуляторами напряжения типа РНТТ. Высокие требования к точности стабилизаций температуры и надежности функционирования определили ряд особенностей этой системы;
Система управления ТермоагрегатаМи функционально децентрализована;
для повышения живучести комплекс устройств сопряжения ЭВМ с объектом управления выполнен как активная система и способен функционировать и при отказе процессора ЭВМ, обеспечивая процесс управления по упрощенному алгоритму;
в составе устройства сопряжения с объектом УСО аппаратно реализованы таймер, коммутатор сигналов низкого уровня с блоком управления, блок линеаризации и контроллер для осуществления калибрования измерительных сигналов и коррекции погрешностей в не-
Рис. 3.10. Функциональная схема подсистемы встроенного калиброва* ния и коррекции погрешностей измерительных каналов
скольких точках диапазона измерения. Указанные блоки в комплекте с линиями связи и устройствами компенсации термо-ЭДС свободных концов ТП образуют прецизионную систему измерения температуры, входящую в состав комплекса устройств связи ЭВМ с объектом управления.
Функциональная схема подсистемы встроенного калибрования и коррекции погрешностей измерительных каналов в произвольном числе точек приведена на рис. 3.10. Термоэлектрические преобразователи ТП подключаются к управляемому от устройства управления УУ коммутатору Км, в котором осуществляются выравнивание и схемная компенсация температуры свободных концов ТП. Скомпенсированная термо-ЭДС ТП поступает на вход аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования (используется АЦП Ф4833), где преобразуется в код. Дополнительно в АЦП осуществлена линеаризация градуировочной характеристики ТП с помощью вспомогательного интегратора, подключаемого ко входу основного интегратора во втором такте преобразования [31]. Устройство идентификации фазового перехода реперного материала калибратора выполнено по схеме, изображенной на рис. 2.11, а устройство коррекции-—по схеме, изображенной на рис. 2.20.
В режиме «Калибрование» при идентификации фазового перехода реперного материала выходной код АЦП поступает на сумматор См,
где он алгебраически суммируется с обратным кодом предыдущего преобразования, записанным в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ. Если разность кодов, полученная на выходе См, превышает допустимое значение (0,2°C), срабатывает компаратор кода КпК. Поступление выходного сигнала КпК на УУ вызовет подключение ко входу См вместо ОЗУ ячейки постоянного запоминающего устройства ПЗУ, в которой записан нулевой код. При этом выходной сигнал См через КпК запишется в ОЗУ. Адресация ячеек памяти ОЗУ и ПЗУ осуществляется следующим образом. Старшие разряды адреса задаются У У в соответствии с выбранным каналом, а младшие — шифратором Ш в соответствии с номером точки калибрования. Номер точки калибрования определяется в течение второго такта аналогоцифрового преобразования по нарастающему значению кода при заполнении выходного счетчика АЦП. Этот код приводит к последовательному срабатыванию схем И1—Ип на границах участков коррекции, равных полусумме температур фазовых переходов в соседних точках калибрования. Кратковременное срабатывание схем И в процессе нарастания выходного кода фиксируется триггерами Тг1—Тгп (типа КЗ), зашифровывается в двоичный код шифратором Ш и поступает с его выхода на младшие разряды адреса ОЗУ и ПЗУ. В каждом последующем цикле преобразования триггеры Тг1—Тгп сбрасываются импульсом запуска АЦП и осуществляется процесс перезаписи в ОЗУ кода результата текущего преобразования.
В момент фазового перехода термо-ЭДС ТП остается постоянной, разность на выходе См оказывается близкой к нулю и ЦаЦ не срабатывает. В УУ производится подсчет количества циклов преобразования, при которых КпК не сработал, и после десяти таких циклов фиксируется достижение температуры фазового перехода. При этом в следующем цикле преобразования из ПЗУ на вход См подается обратный код температуры фазового перехода реперного материала в соответствующей точке калибрования (ПЗУ адресуется шифратором Ш). Полученная на выходе См разность записывается в ОЗУ (также в обратном коде), и процесс идентификации фазового перехода продолжается для следующей точки калибрования.
После записи в ОЗУ кодов поправок во всех точках калибрования оператор возвращает систему в режим «Измерение». При этом запись в ОЗУ запрещается. Термо-ЭДС ТП после выполнения процедуры аналого-цифрового преобразования и линеаризации поступает на См, где она суммируется с поправкой, адекватной каналу (адресация ОЗУ устройством управления УУ) и участку коррекции (адресация ОЗУ шифратором Ш). Записанные в ОЗУ поправки образуют ступенчатые функции, аппроксимирующие зависимости погрешности каждого ТП от температуры. Погрешность аппроксимации описываемой системы по сравнению с погрешностью системы на рис. 2.17 не- 74
сколько меньше за счет сдвига участков коррекции относительно точек калибрования (это позволяет усреднить погрешность аппроксимации).
Погрешность системы в точке калибрования не превышает ±0,9 °C. В интервале между точками калибрования она возрастает за счет погрешности/ обусловленной аппроксимацией кривой погрешности ТП ступенчатой функцией, и зависит от числа точек калибрования. Испытания системы показали, что предел ее основной допустимой погрешности при измерении температуры в диапазоне 100—650 °C и калибровании в точках фазового перехода олова, цинка и сурьмы не превышает ±1,2 °C.
Автоматизированная система управления технологическим процессом термообработки длинномерных изделий
Автоматизированная система управления технологическим процессом термообработки длинномерных изделий предназначена для реализации прямого цифрового управления тепловыми режимами крупнотоннажного термического агрегата с единичной электрической мощностью свыше 6 МВт. Одной из основных функций системы является стабилизация температуры обрабатываемого изделия в диапазоне до 600 °C с допустимым отклонением ±5 °C. Система реализована на базе специализированного управляющего вычислительного комплекса, содержащего ЭВМ СМ-4. Для обеспечения требуемых характеристик надежности в качестве устройства сопряжения с объектом управления применен комплекс УВАС-2, который подключен к интерфейсу «Общая шина» ЭВМ с помощью блока согласования интерфейсов УССОШ/2К.
Однако этот комплекс не обладает требуемыми метрологическими характеристиками. Общая погрешность устройств, образующих измерительный канал (с учетом погрешности датчика), достигает 1,5%. Для обеспечения требуемой точности измерения температуры в составе АСУ ТП осуществлена программная реализация системы коррекции аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности с аппроксимацией функции погрешности полиномом второй степени [8]. Фрагмент схемы программы калибрования (для одного канала) представлен на рис. 3.11.
В схеме приняты следующие обозначения:
к — текущий номер результата преобразования, полученного из аналого-цифрового преобразователя;
т — количество результатов преобразований, которые усредняются; уК — результат текущего преобразования термо-ЭДС ТП в код;
S — разность результатов преобразования в одном измерительном цикле;
бдоп — допустимая разность результатов преобразования в одном измерительном цикле, соответствующая допускаемому значению случайной погрешности измерительного канала;
yi — текущий усредненный результат измерения;
Рис. 3.11. Фрагмент схемы программы калибрования (для одного канала)
Ay — разность усредненных результатов измерения между соседними циклами опроса каналов;
А— допустимое изменение термо-ЭДС ТП за время опроса всех каналов в момент фазового перехода;
j — текущий номер точки калибрования;
i — количество точек калибрования;
У) — усредненный результат измерения в j-й точке калибрования; yjH — номинальная термо-ЭДС ТП при температуре фазового перехода реперного материала в /-й точке калибрования;
А/ — погрешность ТП в /-й точке калибрования;
Сиг — коэффициент полинома поправок;
у — скорректированный результат измерения.
В программе реализована защита от сбоев аналого-цифрового преобразователя при воздействии помех. Для этого в первом цикле (блоки 1—4) в память ЭВМ вводится т результатов преобразования термо-ЭДС ТП в код, затем во втором цикле (блоки 5—9) все результаты преобразования сравниваются между собой. Если разность между текущими результатами преобразований превышает допустимое значение случайной погрешности измерительного канала 5доп, то ввод результатов преобразования уь повторяется, так как серия проверенных результатов содержит сбой. Если условие в блоке 7 удовлетворяется, то производится усреднение т результатов преобразования (блоки 10—14) для получения текущего усредненного результата измерения уи в котором исключено влияние сбоев и снижена случайная погрешность измерительного канала. Далее в программе производится опрос режима работы системы (задается оператором). В режиме «Калибрование» осуществляется сравнение (блок 24) усредненного результата измерения в текущем цикле опроса каналов (блок 23) с усредненным результатом измерения в предыдущем цикле опроса каналов. Если разность между ними превышает допустимое значение (фазовый переход реперного материала калибратора еще не наступил), то усредненному результату измерения в предыдущем цикле опроса каналов присваивается значение текущего усредненного результата измерения (блок 25) и программа переходит к опросу следующего канала. Если условие в блоке 24 удовлетворяется (наступил фазовый переход реперного материала калибратора), то осуществляется вычисление погрешности ТП в текущей точке калибрования (блок 18). В связи с наличием программной защиты от сбоев многократное сравнение усредненных результатов измерения не производится. Далее осуществляется переход к идентификации момента фазового перехода в следующей точке калибрования (блоки 19, 20) или, если фазовый переход в последней точке калибрования достигнут (условие в блоке 20 не удовлетворяется), к вычислению коэффициентов полинома поправок (блок 21).
В режиме «Измерение» по коэффициентам полинома поправок, найденным в режиме «Калибрование», производится коррекция погрешности измерительного канала (блоки }6, 17).
ПРИЛОЖЕНИЕ
Программа расчета калибраторов AKIPN
Программа предназначена для определения параметров реперных слоев калибратора: времени плавления или толщины в зависимости от заданного варианта.
Производится расчет плоского (в форме пластины), сферического (в форме шара) или цилиндрического (в форме цилиндра) калибратора.
Программа является составной частью пакета прикладных программ по расчету калибратора.
Перечень используемых программ
AKIPB (А, АР, IER) — подпрограмма расчета времени плавления реперного слоя в виде пластины по заданной его толщине;
AKICB (А, АР, IER) — подпрограмма расчета времени плавления реперного слоя цилиндрического калибратора по заданной его толщине;
AKISB (А, АР, IER) — подпрограмма расчета времени плавления реперного слоя сферического калибратора по заданной его толщине. Описание массивов программы
А (32)—массив исходных данных для программы AKIPN. Структура массива аналогична структуре массива АС (32) управляющей программы;
В (12) —массив результатов;
В(1)—& —количество реперных слоев;
В(2)—бк — толщина (диаметр калибратора);
В(3) —61 —толщина первого реперного слоя;
В (4) —Ti —время плавления первого реперного слоя;
В (11) — б5 — толщина пятого реперного слоя;
В(12) —т5— время плавления пятого реперного слоя;
АР (8)—массив толщины реперных слоев. Описание массива приведено в программе расчета плоского калибратора AKIPB;
АС (8)—массив сравнения. По структуре аналогичен массиву АР (8). Используется при итерации для выявления отклонений в толщинах реперных слоев предыдущего и текущего приближений.
Описание идентификаторов
IM — тип рассчитываемого калибратора;
IE — код сообщения о нормальном завершении работы программы;
78
IB — вариант расчете калибратора;
IK—количество реперных слоев;
HP — шаг итерации, НРнач=0,02 мм;
RQ — отклонение между заданным и предыдущим временем плавления реперного слоя;
PC — отклонение между заданным и текущим временем плавления реперного слоя;
РСТ — знак отклонения между заданным и текущим временем плавления реперного слоя;
IG — номер рассчитываемого реперного слоя.
Схема программы AKIPN приведена на рис. ПЛ. В блоке 1 вычисляются номер варианта и количество рассчитываемых слоев, а в блоке 2 устанавливаются начальные условия расчета. В программе условно принято, что вариант 1В=И=2 соответствует постоянной толщине и переменному времени плавления реперного слоя, а 1В = 2 — противоположному случаю. Таким образом, если условие в блоке 3 не удовлетворяется, то после присвоения толщины всем рассчитываемым слоям и установки номера рассчитываемого слоя (блоки 4—9) в зависимости от типа калибратора (блок 10) осуществляется переход на одну из трех подпрограмм: AKIPB (блок И), AKICB (блок 12) или ARISB (блок 13). В противном случае (В=2) толщинам слоев калибратора в блоках 19 и 23 присваиваются начальные значения. В цикле запоминаются массив АР(1) (блоки 20—22) и массив сравнения АС(1) (блоки 24—26). В блоке 27 устанавливается номер рассчитываемого слоя, а в блоках 28—31 осуществляются операции, аналогичные операциям в блоках 10—13. В обоих случаях, если условие в блоке 14 либо 32 удовлетворяется, происходит возврат в управляющую программу (блок 53). Если условие в блоке 14 не удовлетворяется, то после подготовки выходного массива в блоке 15 и формирования новых значений переменной I в блоке 16 в зависимости от условия в блоке 17 операции в блоках 9—16 повторяются в цикле либо осуществляется выход из цикла и передача управления на блок 18. Затем присваиваются начальные значения толщинам слоев калибратора (блок 16) и заполняется массив сравнения АС (блок 17), в котором элементу выходного массива В (2) присваивается толщина калибратора. В блоках 19—31 выполняются операции, о которых уже упоминалось выше.
Если условие в блоке 32 не удовлетворяется, то после вычисления отклонения PC и установки номера рассчитываемого слоя IG (блок 33) в блоке 34 анализируется условие | PC | ^0,01. Если оно удовлетворяется, то в зависимости от выполнения условия в блоке 40 осуществляется установка начального шага итерации (блок 41) и возврат к блоку 27 либо та же операция выполняется совместно с расчетом максимального отклонения от толщин слоев в массиве сравнения
(блоки 42—44) ц анализируется условие в блоке 45. В противном случае после выполнения операции присвоения (блок 35) в блоке 36 проверяется условие совпадения знаков* приращений текущего и предыдущего приближений. Если знаки не совпадают, то в блоке 37 уменьшается в 2 раза шаг итерации, рассчитывается толщина слоя калибратора для этого шага (блок 38) и отклонению RQ присваивается отклонение PC (блок 39), а затем осуществляется возврат в управляющую программу. При выполнении условия в блоке 36 из упомянутой процедуры исключается операция в блоке 37.
Если условие в блоке 45 удовлетворяется, то управление передается в блок 24. - В противном случае после формирования массива результатов (блоки 46—52) происходит возврат в управляющую программу.
Рис. П1. Схема программы AKIPN
80
8181Рис. П1. Продолжение
81
81
6-5074
Рис. П1. Продолжение
Программа расчета калибраторов AKIPN
0001 SUBROUTINE AKIPN (А, В, IM, IER)
0002 DIMENSION А (32), В (16), АР (8), АС (8)
0003IB = А (1) +0.1
00041К=А(2) +0.1
0005АР(1) = 0.
0006В (2) = 0.
0007HP = 0.00002
0008PQ = 1.
0009GOTO(1, 2), IB
00101 DO 3 1=2,6
ООН 3 AP(1)=A(3) 0012 DO 5 I = 1, IK 82
0013
AP(1) = AP(1) + 1.
0014
GOTO (21, 22 , 23), IM
0015
21
CALL AK1PB (А, АР, IEP)
0016
GOTO 24
0017
22
CALL AKICB (A, AP, IEP)
0018
GOTO 24
0019
23
CALL AKI SB (A, AP, IEP)
0020
24
IF(IER.NE.O) GOTO 6
0021
B(1) = AP(1)
0022
В (2*1 + 1) = AP (I + 1)
0023
5
В (2*1 + 2) = AP (7)
0024
IER = 0
0025
В (2) = AP (8)
0026
GOTO 6
0027
2
DO 7 I =2,6
0028
7
AP (I) = 0.0001
0029
8
DO 9 I = 2,6
0030
9
AC (I) = AP (I)
0031
15
AP(1) = AP(1)+ 1.
0032
30
GOTO (31, 32, 33), IM
0033
31
CALL AKIPB (A, AP, IER)
0034
GOTO 34
0035
32
CALL AKICB (A, AP, IER)
0036
GOTO 34
0037
33
CALL AKISB (A, AP, IER)
0038
34
IF (IER.NE.O) GOTO 6
0039
PC = A (3) — AP (7)
0040
IG= AP(l)+0.1
0041
IF (ABS (PC).LE.O.Ol) GOTO 12
0042
PCT = PC/ABS (PC)
0043
IF (PQ.LT.O.AND.PC.LT. O) GOTO 43
0044
IF(PQ.GT.O AND.PC.GT.O) GOTO 43
0045
HP = HP/2.
0046
GOTO 13
0047
43
CONTINUE
0048
13
AP (IG + 1) = AP (IG + 1) 4- HP* PCT
0049
RQ=PC
0050
GOTO 10
0051
12
IF(IK.EQ.IG)GOTO 14
0052
HP = 0.00002
0053
GOTO 15
0054
14
HP = 0.00002
0055
DO 16 I = 2, IK
0056
PC = ABS (AP (I) — AC (I))
0057
IF(PC.GE.0.02) GOTO 8
6*
0058 16 CONTINUE
0059 DO 17 1 = 1, IK
0060B(2*I + 1) = AP(I + 1)
0061 17 В (2* I + 2) = A (3)
0062B(1) = AP(1)
0063В (2) = AP (8)
0064IER = 0
Подпрограммы расчета плоского, цилиндрического и сферического калибраторов
Подпрограммы предназначены для расчета геометрических параметров калибраторов на основе заданного времени плавления каждого слоя.
Перечень символов и имен, используемых в программах
А(32)—массив исходных данных по калибраторам;
А (1)-В —тип расчета калибратора (В в программах не используется) ;
А (2)-К — количество реперных слоев;
А(3)—6К или Тс—в программах не используется;
А(4)—^Хразд — теплопроводность разделителя между реперными слоями;
А (5)—D — диаметр плоского (сферического) калибратора или длина цилиндрического;
А(6)—бцентр — толщина (диаметр) центральной части калибра
тора;
А(7)—бразд — толщина разделителя между реперными слоями;
А (8)—iki — теплопроводность первого реперного слоя;
А(9)— £Пл1 — температура плавления первого реперного слоя;
А(10)—5пл1 — удельная теплота плавления первого реперного слоя;
А(11)—^pi — плотность материала первого реперного слоя;
А (12)—Ci — скорость подъема температуры печи для первого слоя;
— параметры пятого реперного слоя;— параметры пятого реперного слоя;А(31)-р5А(32)-С5А(31)-р5А(32)-С5А(28)-А5 А (29)—/плз А (30)—Qnns
— параметры пятого реперного слоя;
— параметры пятого реперного слоя;
А(31)-р5
А(32)-С5
А(31)-р5
А(32)-С5
А (8) — массив значений толщины и результатов расчета первого реперного слоя;
АР(1)-Р — номер i-ro рассчитываемого реперного слоя;
AP(2)—6i \
АР(3)—62
(АР) 4—63 /—толщина реперных слоев калибратора;
АР (5)— 64
АР (6)— 65 )
АР (7)—Тс—время плавления Р-го реперного слоя;
АР (8) —2 ^ —толщина (диаметр) калибратора;
i=i
АС (11) — массив диаметров цилиндрического (сферического) калибратора;
АС(1) —внутренний диаметр первого слоя;
АС(3) —внутренний диаметр второго слоя;
АС(2) —внешний диаметр первого слоя;
АС (4) — внешний диаметр второго слоя;
АС (5) —внутренний диаметр третьего слоя;
АС (10) —внешний диаметр пятого слоя;
АС(11) — диаметр калибратора;
АВ (5) — массив исходных данных для программы определения времени плавления реперных слоев (описание см. в программе ASIS);
В (4)—массив результатов расчета для программы ASIS; IK —количество реперных слоев в калибраторе;
IP —номер рассчитываемого реперного слоя;
IER —код сообщения о нормальном или преждевременном завершении работы программы;
РВ — промежуточная переменная для расчета диаметров • цилиндрического (сферического) калибратора;
РР — значение П;
ВР — диаметр i-ro реперного слоя;
ВА — диаметр (i+l)-ro реперного слоя;
С — объем i-ro реперного слоя;
ВМ — тепловое сопротивление слоев цилиндрического (сферического) калибратора;
ВС — теплопроводность i-ro реперного слоя;
ТК — толщина i-ro реперного слоя;
РА — теплопроводность i-ro реперного слоя;
РТ — температура плавления i-ro реперного слоя;
С — теплота плавления i-ro реперного слоя;
VP — плотность материала i-ro реперного слоя;
VC — скорость подъема температуры в печи для i-ro реперного слоя;
FK — площадь поверхности плоского калибратора и площадь i-ro реперного слоя;
FPK — площадь поверхности цилиндрического (сферического) калибратора;
QK— количество теплоты, необходимое для расплавления i-ro реперного слоя;
QA — тепловое сопротивление слоев плоского калибратора;
PC — суммарная толщина слоев калибратора.
Перечень используемых программ
ASIS — программа расчета времени плавления конкретного реперного слоя.
Подпрограмма расчета калибратора в виде пластины АК1РВ
0001 SUBROUTINE AKIPB (А, АР, IER)
0002 DIMENSION А (32), АР (4), АВ (5), В (4)
00031К = А(2) 4-0.1
00041Р = АР(1) 4-0.1
0005IF (IP. GT., IK) GO ТО 10
0006TK = AP(IP4-1)
0007РА = A (IP* 5 4-3)
0008РТ = A (IP* 5 4-4)
0009 QC = A (IP* 54-5)
0010VP = A (IP* 5 4-6)
ООПVC = A (IP* 5 4-7)
0012 FK = А (5)* А (5)* 3.141592/4.
0013QK = TK*FK*VP*QC
0014QA = 0.
0015DO 2 1 = IP, IK
0016IF (I. EQ. IP) GO TOI
0017 2 QA = QA 4- AP(I 4- 2)/A ((I 4- 1 )* 5 4- 3)
0018 1 QA = QA4-(IK — IP 4-1.)* A(7)/A(4)
0019AB(1)=PT
0020AB (2) = VC
0021AB (3) = QK
0022AB (4) = FK
0023AB(5) = FK/QA
0024CALL ASIS (AB, B, IFR)
0025IF (IER.NE.0) GO TO 5
0026 6 AP (7) = В (2)
0027PC = 0.
0028DO 18 1 = 1, IK
0029 18 PC = PC4-AP(I4- 1)
0030AP (8) = (PC 4- A (2)* A (7))*2. + A((i)
0031IER = 0
0032GO TO 5
0033 10 IER = 4231
86
0034 5 RETURN
0035END
Подпрограмма расчета цилиндрического калибратора АКК В
0001SUBROUTINE AKICB (A,AP,IER)
0002DIMENSION A(32), AP(8),AB(5), B(4), AC(ll)
0003 IK = A(2)+A(2) + 0.1
0004IP = AP(l) + 0.1
0005IF (IP.GT.IK) GOTO 3
00061K = AP(IP+1)
0007PA = A (IP*5 + 3)
0008 PI = A (IP*5 + 4)
0009QC=A(iP*5+5)
0010VP = A(IP*5 + 6)
0011VC = A(IP*5 + 7)
0012AC(1)=A(6)
0013DOI 1 = 1, IK
0014PB = AC (2*1 — 1)
0015AC (2*1) = PB + AP(I +1)*2.
00161 AC (2*1 + 1) = AC (2*1) + A (7)*2.
0017PP = 3.141592
0018VA = AC (2*IP — 1)
0019VB = AC (2*IP)
0020VCL = (PP/4.)*(VB*VB— VA*VA)*A(5)
0021Q = VCL*QC*VP
0022 FPK = PP*AC (2*IK + 1)*A (5)
0023AB(1)=PT
0024AB (2) = VC
0025AB (3) = Q
0026BM = 0.
0027DO 6 I = IP, IK
0028IF (I.NE.IK) GOTO 4
0029BM = BM + (1 ./(2* A(4))*ALOG (AC (1*2 + 1)/AC (1*2))
0030GOTO 6
00314 BB = A(4)*0.5
00324 BM = BM + (1. /BB)*ALOG (AC (1*2 + 1)/AC(I*2))
0033 BM = BM + (1 ./BB)* ALOG (AC (1*2 + 2)/AC (1*2 + 1))
00346CONTINUE
0035AB(5)=PP*A(5)/BM
0036AB (4) = FPK
0037CALL ASIS (AB, B, IER)
0038IF(IER.NE.0)GOTO5
00399AP(7) = B(2)
0040IER = 0
0041AP (8) = AC (2*IK + 0
0042 GOTO 6
00433 IER = 4231
00445 RETURN
0045END
Подпрограмма расчета сферического калибратора AK1SB
0001SUBROUTINE AKISB (A, AP, IER)
0002 DIMENSION A (32), AP (8), AS (9), В (4), AC (11)
0003IK = A (2)+ 0.1
0004IP = AP (l) + 0.1
0005 IF (IP, GT, IK) GOTO 3
0006TK = AP(IP+1)
0007RA = A (IP*5 + 3)
0008PT = A (IP*5 + 4)
0009QC = A(IP*5 + 5)
0010VP = A(lP*5 + 6)
00HVC = A (IP*5 + 7)
0012AC(1)=A(6)
0013DOI 1 = 1, IK
0014PB = AC(2*I—1)
0015AC (2*1) = PB*AP (I + )*2.
00161 AC (2*1 + 1) = AC (2 + I) + A (7)*2.
0017PP = 3.141592
0018VA = AC (2*IP — 1)
0019VB = AC(2*IP)
0020 VCL = (PP/6.)* (VB*VB*VB — VA*VA*VA)
0021Q = VCL*QC*VP
022 PPK = PP*AC(2*IK + 1)*AC(2*IK+ 1)
0023AB(I)=PT
0024AB (2) = VC
0025AB(3)=Q
0026BM = Q.
0027DO_6I = IP.IK
0028 BA = AC (2*2 + 1)
0029BP = AC (1*2)
0030 IF (I.NE. IK) GOTO 4
0031BM = BM + (BA — BP)/(A(4)*BA*BP)
0032GOTO 6
0033 4 CONTINUE
0034 BM = BM + (BA - BP)/(A (4)*BA*BP)
0035BA = AC (1*2 + 2)
0036BP = BA
0037 BC = A((I + 1)*5 + 3)
0038 BM = BM + (BA — BP)/ (BC*BA*BP)
0039 6 CONTINUE
0040 AB (5) = 1 ./(PP*BM)
0041AB (4)= FPK
0042CALLASIS (AB, В, IER)
0043 IF (IER.NE.O) GOTO5
00449 AP (7)= В (2)
0045IER =0
0046 AP (8) = AC (2* IK + 1)
0047 GOTO 5
0048 3 IER = 4231
0049 5 RETURN
0050 END
Программа расчета времени плавления (ASIS)
Программа предназначена для определения времени плавления реперного слоя калибратора по заданной толщине и теплофизическим параметрам.
Кроме времени плавления в результате работы программы рассчитываются температуры печи и поверхности калибратора.
Описание массивов
А (5) —массив исходных данных;
А(1)—Тпл—температура плавления реперного слоя;
А(2)—С — скорость подъема температуры в печи;
А(3)—Q — количество теплоты, необходимое для расплавления реперного слоя;
А (4)—Fk — площадь поверхности калибратора;
А(5)—Rr — тепловое сопротивление слоев калибратора;
В (4) —массив результатов расчета;
В(1)—тч — время плавления реперного слоя, ч;
В (2)—Тс — время плавления реперного слоя, с;
В(3)—ТПеч — температура печи по окончании процесса плавления;
В(4)—Тиов — температура поверхности калибратора по окончании процесса плавления.
Описание переменных
IER — код сообщения о нормальном завершении работы программы;
ВР — интервал времени;
ВК — суммарное время протекания процесса теплопередачи;
R0 — коэффициент уменьшения интервала времени в конце процесса теплопередачи;
R2 — тепловое сопротивление слоев калибратора;
TVI — температура печи на i-м (текущем) шаге приближения;
TPI — температура поверхности калибратора на t-м шаге приближения;
MA — текущее значение коэффициента теплопередачи;
TP, ТК — промежуточные переменные для вычисления коэффициента теплопередачи;
R1—тепловое сопротивление поверхности калибратора;
Q — количество теплоты, полученное плавящимся слоем за отдельный интервал времени;
ATVI — повышение температуры поверхности калибратора за интервал времени;
TVA— промежуточное значение температуры печи на t-м шаге приближения;
RA—абсолютное значение между предыдущим и текущим значениями;
QC — суммарное количество теплоты, полученное плавящимся слоем;
PC — разница между исходным значением количества теплоты и расчетным;
РСТ — промежуточная переменная для интервала времени.
Программа расчета реперного слоя ASIS
0001SUBROUTINE ASIS (А, В,IER)
0002DIMENSION А (5), В (4)
0003REAL МА, MAI
0004ВР = 1./3600.
0005ВК = 0.
0006IER = 0.
0007R0 = 1.
0008R2 = A(5)
0009ТР1 = А(1)
0010TVI = A(1)
00111CONTINUE
0012TPI = TPI + А (2)*ВР
0013МА = 10.
0014MAI = 11.
0015GO ТО 2
00163CONTINUE
0017 TP = (TPI 4-273.)/100.
0018ТК = (TVA 4-273.)/100.
0019 MA = 4.536* (TP**4 — TK**4 — TK**4)/(TPI — TVA) + 10.
0020 2 CONTINUE
0021R1=A(4)*MA
0022 О = ((TPI —2.* TVI — A (1))* BP)/(1 ,/Rl — 1.0/R2)
0023ATVI = O* (TVI - A (5))/(R2*BR)
0024TVA = TVI 4- ATVI
0025RA = ABS(MA — MAI)
0026MAI = МД
0027
0028 0029
0030 0031
0032 0033 0034 0035 0036 0037 0038 0039
0040 0041 0042 0043 0044 0045 0046 0047
IF (RA.GT.0.001) GO TO3 00 = 00 + 0 BK = BK + EP RO = A(3) — 00 TVI = TVA
IF(ABS (RO).LE.O.OI) GOTO 12
IF (RO.GT.0.) GOTO 1
R0 = 0.5*R0
POT = RO*BP 00 = 00 — 0 BK = BK — BP TPI = TPI — A (3)*BP TVI = TVA — ATVI BP = POT
GOTO 1
12 B(1) = BK B(2) = BK/3600. в (3) = TPI в (4) = TVA RETURN END
список Литературы
Андреев А. А. Автоматические показывающие, самопишущие и регулирующие приборы — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1973.—287 с.
А. с. 352152 (СССР). Устройство для измерения температуры/ А. А. Саченко, К. М. Обелевская, Л. В. Заничковская, В. А. Кочан. Опубл, в Б. И., 1972, № 28.
А. с. 569876 (СССР). Устройство для измерения температуры/ В. Ю. Мильченко, А. А. Саченко, В, В. Кочан, Г. И. Лебедев. Опубл, в Б. И., 1977, № 31.
А. с. 1126821 (СССР). Устройство для калибровки термопреобразователей/ В. Ю. Мильченко, А. А. Саченко, В. В. Кочан и др. Опубл, в Б. И., 1984, № 44.
А. с. 666444 (СССР). Устройство для измерения температуры/ В. Ю. Мильченко, В. В. Кочан, В. А. Кочан. Опубл, в Б. И., 1979, № 21.
А. с. 679818 (СССР). Устройство для измерения температуры/ В. Ю. Мильченко, Г. И. Лебедев, А. А. Скворцов и др. Опубл, в Б. И., 1979, № 30.
А. с. 1154551 (СССР). Устройство для измерения температуры/ В. В. Кочан, В. Ю. Мильченко, А. А. Саченко, В. Н. Нефедов. Опубл, в Б. И., 1985, № 17.
А. с. 1170292 (СССР). Многоканальное устройство для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительных каналов/ А. А. Саченко, В. Ю. Мильченко, В. В. Кочан. Опубл, в Б. И., 1985, № 28.
А. с. 718725 (СССР). Устройство для измерения температуры/ В. Ю. Мильченко, В. В. Кочан, О. А. Салюков и др. Опубл, в Б. И., 1980, № 8.
А. с. 1154552 (СССР). Устройство для измерения температуры/ А. А. Саченко, В. Ю. Мильченко, В. В. Кочан, Б. А. Маслыяк. Опубл, в Б. И., 1985, № 17.
А. с. 953470 (СССР). Устройство для измерения температуры/ В. Ю. Мильченко, В. В. Кочан, В. Н. Востриков. Опубл, в Б. И., 1982, № 31. -
Беляев Н. М., Рядно А. А. Методы нестационарной теплопроводности.— М.: Высшая школа, 1978.—328 с.
Измерительно-вычислительный комплекс К537 с микропроцессорным управлением/ Г. Е. Богославский, В. С. Зеленевский, В. В. Плотников и др. — Приборы и системы управления, 1982, № 10, с. 29—30.
Гордов А. Н. Основы пирометрии. — М.: Металлургия, 1971.— 447 с.
ГОСТ 8080—80. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений температуры в диапазоне 273,15—6300 К- *
Датчики для измерения температуры в промышленности/ Г. В. Самсонов, А. И. Киц, О. А. Кюздени и др. — Киев: Паукова думка, 1972.—223 с.
Земельман М. А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств.— М.: Изд-во стандартов, 1972.—199 с.
Киренков И. И. Некоторые законы термоэлектрической неоднородности.— В кн.: Исследования в области температурных измерений.— Л.: ВНИИМ, 1975, вып. 171, с. И—15.
Комбинированная многоканальная система измерения температуры с самокалиброванием/ В. Ю. Мильченко, А. А. Саченко, Ю. П. Троценко и др. — Сборник тезисов докладов Всесоюзн. научнотехн. конференции: Состояние и перспективы развития средств измерения температуры контактным и бесконтактным методами. — Львов; АН УССР, 1978.
Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.—М.: Наука, 1973.—832 с
Малиновский В. Н. Методы и средства цифровых измерений различных величин. — Приборы и системы управления, 1973, № 2, с. 10—14.
Международная практическая температурная шкала МПТШ-68.— М.: Стандартгиз, 1971.—31 с.
Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы. — Киев: Вища школа, 1980.—558 с.
Орнатский П. П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. — Киев: Вища школа, 1976.—432 с.
Павлов Б. П. Термоэлектрическая неоднородность электродов термопар. — М.: Изд-во стандартов, 1979.—709 с.
Пехович А. И., Жидких В. М. Расчеты теплового режима твердых тел. — Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1976.
Приборы для измерения температуры контактным способом/ Под ред. Р. В. Бычковского.— Львов: Вища школа, Львов, отд-ние. 1978.—208 с.
Рогельберг И. А. Исследование сплавов для термопар. — Тр. ин-та Гипроцветметобработка, вып. XXIX, — М.: Металлургия, 1969, с. 33—41.
•* 29. Саченко А. А. Методы повышения точности измерения температуры термоэлектрическими преобразователями. — Тезисы V Всесоюзн. научно-техн, конференции: Состояние и перспективы развития средств измерения температуры. — Львов, АН УССР, 1984, т. 2, с. 205—206.
*►30. Саченко А. А., Твердый Е. Я. Совершенствование методов измерения температуры.— Киев: Техн1ка, 1983.—104 с.
Семенов В. Ф. Цифровой термометр с линейной шкалой. — Тр. Моск, ордена Ленина энергетич. ин-та.— М.: МЭИ, 1975, вып. 254.
Скрипицын Г. К., Иванов В. С. К вопросу построения ИИС температуры с формированием тестов по входной величине. — Сборник тезисов Всесоюзн. конференции по измерительным информационным системам. Ч. 3. — Львов; АН УССР 1981, с. 122—123.
Справочник по электроизмерительным приборам/ К. К. Илю- нин, Л. И. Леонтьев, Л. И. Набебина и др.; Под ред. К- К. Илюни- на. — 3-е изд. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.—784 с.
Теория, тепломассообмена/ Под ред. А. И. Леонтьева.—М.: Высшая школа, 1979.—495 с.
Точность контактных методов измерения температуры/ А. Н. Гордов, Я. В. Малков, Н. Н. Эргардт, И. А. Ярышев.— М.: Стандартгиз, 1976.—232 с.
Туз Ю. М. Структурные методы повышения точности измерительных устройств. — Киев: Вища школа, 1976.—255 с.
Цапенко М. tl. Измерительные информационные системы.— М.: Энергия, 1974.—319 с.
Цифровой измеритель температуры с автоматической коррекцией погрешности термоэлектрического термометра/ В. Ю. Мильченко, В. А. Кочан, А. А. Саченко и др. — Измерительная техника, 1978, № 15, с. 48—49.
Цифровой измеритель температуры Ф4835/ В. В. Кочан, В. И. Матвиив, И. Д. Козицкий, А. А. Саченко. Научно-техн. реф. сб. «Метрология и точные измерения», 1979, вып. 11, с. 15—16.
Цифровые термометры/ А. С. Шахкамян, Ю. М. Ходжаянс, С. С. Шахкамян, О. С. Манукян. — Приборы и системы управления, 1977, № 1, с. 10—12.
Шляндин В. М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. — М.: Высшая школа, 1973.—280 с.
Электрические измерения неэлектрических величин/ Под ред. П. В. Новицкого. — Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1975.—576 с.
Электрические измерения/ Под ред. Е. Г. Шрамкова. — М.: Высшая школа, 1972.—519 с.
Эргардт Н. Н. Некоторые данные о стабильности платиноро- дийплатиновых термопар. — Тр. Всесоюзного научно-исслед. ин-та метрологии.— Л.: ВНИИМ, 1958, вып. 35.
Hundres Alf., Heinz G., Buschfor Т. Self calibrating temperature and proube-indicator combination. — United State Patent № 3.499.310. кл. 73—1 (МПК G 01 15/00).
Jackson R. C. Integral calibrators for termocouples. — Instrum.— TechnoL, 1969, № 11, p. 43—47.
Sosman H. E. Sealet metal-freeziny point elli for thermometer calibration. — Rew. Ses. Instrum., 1977, vol. 48, № 10, p. 1351—1353.
Fluke В. V. Shortform Catalog, 1978—1979, 12 p.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Глава первая. Калибраторы температуры 8
Конструкциикалибраторов 8
Анализ процесса теплообмена в многослойном калибраторе 13
Определениегеометрическихпараметров калибраторов 18
Глава вторая. Схемотехника преобразователей температуры с автоматическим калиброванием измерительных каналов 22
Реализация метода образцовых сигналов с помощью калибраторов температуры 22
Идентификация фазовых переходов калибраторов температуры 30
Коррекция аддитивной составляющейпогрешности..41
Коррекция мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности47
Глава третья. Средства точногоизмерениятемпературы57
Автоматический потенциометр постоянного тока с калиброванием измерительногоканала57
Четырехканальный цифровойизмерительтемпературы62
Цифровой измеритель температуры с коррекцией муль- ' типликативной погрешности69
Измерительная система с автоматическим калиброва
нием каналов в составе АСУ ТП «Термообработка» ..72
Автоматизированная система управления технологическим процессом термообработки длинномерных изделий 75 Приложение . s .,*78
Список литературы 92
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
АНАТОЛИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ САЧЕНКО
ВИКТОР ЮРЬЕВИЧ МИЛЬЧЕНКО
ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ КОЧАН
Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами
Редактор В. И. Сухарев
Редактор издательства А. Н. Гусяцкая
Художественные редакторы Т. А. Дворецкова,
Г. И. Панфилова
Технический редактор Г. В. Преображенская Корректор М. Г. Гулина ИБ № 150
Сдано в набор 28.01.86 Подписано в печать 04.04.86Т-09911
Формат 84ХЮ81/»2 Бумага типографская № 1 Гарнитура литературная Печать высокая Усл. печ. л. 5.04 Усл. кр.-отт. 5,25 Уч-изд. л. 6,21 Тираж 9000 экз. Заказ 5074 Цена 35 к.
Энергоатомиздат. 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МПО «Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова» Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 113054, Москва, М-54, Валовая, 28.