Разработка структурной схемы измерительного преобразователя

 

Содержание

 

Задание на курсовую работу………………………………………………………………………………………….…..…3

Введение………………………………………………………………………………………………………………………..….….5

1. График функции………………………………………………………………………………………………….….....7
2. Точность преобразования и линейность…………………………………………………………..……..10
3. Разрядность АЦ - преобразователя…………………………………………………………………………...12
4. Линеаризация НСХ преобразователя по температуре...…………………………………………..13
5. Выбор АЦ – преобразователя и время преобразования……………………………………..…..14
6. Структурная схема и принцип работы АЦ – преобразователя…….…..........................16
7. Структурная схема измерительного преобразователя...............................................18

Заключение…………………………………………………………………………………….........................................20

Список используемой литературы……………………………………………………………………………..…………21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание на курсовую работу

1. Исходные данные

 

1. Тип датчика:

- термопара: ТХА (К)

2. Диапазон температуры  датчика: 200..600°С

3. Входной сигнал в  зависимости от типа датчика:

термо-э.д.с. (ГОСТ 3044-84);

4. Выходные  сигналы:                                                                          

·      цифровой - пропорциональный температуре двоичный код;

·      аналоговый - пропорциональный температуре ток  или напряжение.

5. Класс точности - 0,25

6. Время реакции датчика  на изменение температуры - более  10 сек.

7. Гальваническое разделение  между входными и выходными  цепями.

2. Задание.

1. Построить график  функции E =  f (T);

где E - термо-электродвижущая  сила (термо-э.д.с.) термопары (мВ); T - температура (°С).

2. Построить прямую, соединяющую  крайние точки заданного диапазона  температуры, т.е. идеальную линейную  характеристику преобразования  по температуре.

3. Определить максимальную  в заданном диапазоне температуры  погрешность нелинейности характеристики и сделать вывод  о  необходимости линеаризации,  исходя из заданного класса точности с учетом запаса по погрешности не менее 20% от заданного (0.25)

4. Определить разрешающую  способность (разрядность) АЦ-преобразования  с  учетом линеаризации (для линеаризации достаточно дополнительные 2 разряда), учитывая, что максимальная погрешность преобразователя (п. 1.5) в соответствии с ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» не должна превышать ± 5 квантов (единиц младшего разряда).

5. Определить число  участков линеаризации, обеспечивающих  заданную точность преобразования, и предложить вариант линеаризации  НСХ преобразователя по температуре  любым способом (кусочно-линейная  аппроксимация, прямое преобразование  с помощью ПЗУ, другое).

6.  Выбрать и обосновать  принцип работы узла АЦ-преобразования.

7. Определить время  преобразования измерительного  преобразователя, исходя из принципа  работы узла АЦ-преобразования, фильтрации  помех и времени реакции датчика.

8. Разработать структурную (функциональную) схему измерительного преобразователя,  указав основные функциональные узлы с учетом особенностей измерения температуры датчиком - термопарой (э.д.с. низкого уровня, компенсация температуры свободных концов) и термометром сопротивления (пассивный датчик, малый диапазон изменения сопротивления). Составить описание  устройства и принципа действия измерительного преобразователя по структурной (функциональной) схеме: функциональное назначение и необходимость в составе прибора каждого узла схемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Повышение технико-экономических  показателей систем управления техническими процессами (ТП) и производством  в целом таких, как качество управления, надежность, снижение затрат на проектирование, безопасность эксплуатации, возможность адаптации систем управления к изменяющимся свойствам объектов улучшение условий работы оператора в большой степени зависит от используемых технических средств.

 В настоящее время  технические средства автоматизации  и управления (ТСА и У) компонуются в агрегатные комплексы технических средств, которые представляют собой сложные системы аппаратных, программных и конструктивных средств, ориентированных на решение как типовых, так и конкретных задач по автоматизации технологических процессов выполняется согласно международной стандартизации.

ТСА и У выполняют  следующие функции:

1. сбор и преобразование  информации о состоянии процесса;

2. передачу информации  по каналам связи;

3. преобразование, хранение  и обработка информации;

4. формирование команд  управления в соответствии с выбранными целями (критериями функционирования систем);

5. использование и  представление командной информации  для воздействия на процесс  и связь с оператором с помощью  исполнительных механизмов

Поэтому все промышленные средства автоматизации технологических процессов по признаку отношения к системе объединяют в соответствии со стандартом в следующие функциональные группы:

1. средства на входе  системы (датчики);

2. средства на выходе  системы (выходные преобразователи,  средства отображения информации и команд управления процессом, вплоть до речевых);

3. внутрисистемные ТСА  (обеспечивающие взаимосвязь между  устройствами с различными сигналами  и различными машинными языками)  например, имеют выходы релейные  или с открытым коллектором;

4. средства передачи, хранения и обработки информации.

Такое многообразие групп, типов и конфигураций ТСА приводит к много альтернативной проблеме проектирования технического обеспечения  АСУ ТП в каждом конкретном случае.

В данной курсовой работе речь идет о термоэлектрическом преобразователе – термопара. Термопреобразователь (преобразователь, датчик температуры) – это средство измерения (прибор), преобразующий измеряемую температуру в сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации средствами автоматизации ТП.

ТХА - преобразователь  термоэлектрический (термопара ХА - хромель-алюмель (K)), диапазон измерения  температуры -200…+1200С.

Чувствительные элементы датчиков температуры (термопар) формируют  сигналы низкого уровня (десятки  милливольт). Для того, чтобы исключить помехи от сильноточных цепей, сигнал от датчика подается в преобразователь измерительный (ПИ), который устанавливается ближе к датчику, чтобы дополнительно повысить точность измерения и уменьшить расход проводов компенсационных. Применение ПИ позволяет располагать источник питания и АЦП в пункте управления. Один провод соединяет ПИ с источником питания, а второй “возвращает” выходной токовый сигнал в пункт управления. Шунтирующий резистор, включенный в цепь токового сигнала, преобразует его в сигнал напряжения постоянного тока, который подается на вход индикатора или регулирующего устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. График функции

Для построения НСХ - номинальной  статистической характеристики (зависимость  термо-э.д.с. термопары ТХА(К) от температуры) используем данные ГОСТ 3044-84 «Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики» (табл. 1).

Таблица 1

№ точки	температура рабочего конца, °С	Термо-э.д.с. для температуры,мВ	Термо-э.д.с. для температуры,мВ (идеальная прямая)	Погрешность нелинейности
0	200	8,137	8,137012138	1,21379E-05
1	210	8,537	8,556137674	0,019137674
2	220	8,938	8,975263211	0,037263211
3	230	9,341	9,394388747	0,053388747
4	240	9,745	9,813514284	0,068514284
5	250	10,151	10,23263982	0,08163982
6	260	10,560	10,65176536	0,091765357
7	270	10,969	11,07089089	0,101890893
8	280	11,381	11,49001643	0,10901643
9	290	11,793	11,90914197	0,116141966
10	300	12,207	12,3282675	0,121267503
11	310	12,623	12,74739304	0,124393039
12	320	13,039	13,16651858	0,127518576
13	330	13,456	13,58564411	0,129644112
14	340	13,874	14,00476965	0,130769649
15	350	14,292	14,42389519	0,131895185
16	360	14,712	14,84302072	0,131020722
17	370	15,132	15,26214626	0,130146258
18	380	15,552	15,68127179	0,129271795
19	390	15,974	16,10039733	0,126397331
20	400	16,395	16,51952287	0,124522867
21	410	16,818	16,9386484	0,120648404
22	420	17,241	17,35777394	0,11677394
23	430	17,664	17,77689948	0,112899477
24	440	18,088	18,19602501	0,108025013
25	450	18,513	18,61515055	0,10215055
26	460	18,938	19,03427609	0,096276086
27	470	19,363	19,45340162	0,090401623
28	480	19,788	19,87252716	0,084527159
29	490	20,214	20,2916527	0,077652696
30	500	20,640	20,71077823	0,070778232
31	510	21,066	21,12990377	0,063903769
32	520	21,493	21,54902931	0,056029305
33	530	21,919	21,96815484	0,049154842
34	540	22,346	22,38728038	0,041280378
35	550	22,772	22,80640591	0,034405915
36	560	23,198	23,22553145	0,027531451
37	570	23,624	23,64465699	0,020656988
38	580	24,050	24,06378252	0,013782524
39	590	24,476	24,48290806	0,006908061
40	600	24,902	24,9020336	3,35971E-05

 

Рис 1. График зависимости  термо-э.д.с. от температуры для датчика  ТХА(К)

Построим график НСХ  термопары ТХА(К) для диапазона  температур от 200 до 600°С с шагом 10°С, пользуясь программой Microsoft Excel.

Рис2. Отклонение НСХ от идеальной прямой

Идеальная линейная характеристика

Из курса математики задаемся уравнением прямой вида

:

- Е_нач и Е_кон присваиваем значение и соответственно;

- t_нач и t_кон присваиваем значение и соответственно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Точность преобразования и линейность

Точность учитывает  погрешности квантования, нелинейности входных цепей и формирователей, погрешности производственной настройки, шум и кратковременный дрейф  параметров. Существуют две разновидности определения точности: абсолютная и относительная точность.

Абсолютная точность – это отношение  действительного выходного напряжения преобразователя, соответствующего полной шкале, к его расчетному выходному  значению.

Погрешность линейности или нелинейность можно определить как максимальное отклонение любой из этих дискретных точек от прямой линии, проведенной через крайние точки характеристики преобразования. Эти крайние точки устанавливаются потребителем в процессе калибровочной настройки.

Относительная погрешность в АЦП  – это максимальное отклонение выходных цифровых кодов от прямой линии, проведенной  через нуль и точку, соответствующую  полной шкале.

Нелинейность преобразователя  – это отклонение от прямой линии, проведенной через крайние точки характеристики преобразования для заданного диапазона работы.

В нашем случае прямая, соединяющая  две крайние точки рабочего диапазона  датчика 200 и 600°С, является идеальной  линейной характеристикой преобразования.

Из графиков (рис.1, рис.2) видно, что максимальное отклонение характеристики датчика от идеальной прямой появляется в значении шкалы 350°С и составляет 0,131895.

Такое же значение подтверждают математические вычисления в программе Microsoft Excel (из значений идеальной линейной характеристики вычитаются значения НСХ датчика ТХА(К)).

Относительная погрешность – это  разность между номинальным и  действительным отношениями аналоговой величины, соответствующей заданному  цифровому входному сигналу, к полной шкале, независимо от калибровки последней.

Максимальная относительная погрешность  нелинейности (в %) в диапазоне температур от 200 до 600°С, определяется по формуле (1):

 

 или         (1)

 

 

 

где

– значение идеальной линейной характеристики преобразования для температуры 350 °С;

– значение термо-э.д.с. НСХ термопары  ТХА(К) для температуры 350 °С;

 – диапазон значений термо-э.д.с. НСХ термопары ТХА(К) для крайних точек характеристики преобразования .

Итак, максимальная относительная  погрешность нелинейности (в %) составит:

 

Наш измерительный  преобразователь должен обеспечивать класс точности 0,25. Также измерительный преобразователь должен обеспечивать запас по погрешности, который должен быть не менее 20%., т.е. 20% от 0,25 составляют 0,05 и тогда точность преобразования должна быть лучше 0,2 (0,25 - 0,05= 0,2).

В нашем случае максимальная погрешность нелинейности составляет 0,787 %, что больше требуемой (0,2%), поэтому необходимо провести линеаризацию для обеспечения заданного класса точности измерения температуры  датчика ТХА(К).

3. Разрядность АЦ - преобразователя

Разрешающая способность  преобразователя есть наименьший уровень  входного аналогового сигнала (для  АЦП), для которого вырабатывается выходной цифровой код, и наименьший входной  цифровой код (для ЦАП), для которого образуется уровень выходного аналогового сигнала. На практике полезная разрешающая способность преобразователя часто оказывается меньше указанной, поскольку она ограничивается из-за воздействия шума, температуры и факторов времени.

Для определения значения полезной разрешающей способности измерительного преобразователя с заданной точностью применим формулу:

где

 – полезная разрешающая способность  преобразователя;

 – требуемое значение класса точности преобразователя (0,2).

Таким образом, полезная разрешающая  способность (разрядность) аналого-цифрового  преобразования должна быть лучше 500 единиц (квантов).

Согласно ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» максимальная погрешность преобразователя не должна превышать ±5 квантов (единиц младшего разряда), поэтому разрешающая способность аналого-цифрового преобразования будет равна: