Дипломная работа - Программно-аппаратный комплекс для измерения температуры

Подождите немного. Документ загружается.

102

т.к.

100⋅

∆

;

отсюда

745,0

100

250298,0

100

⋅

=∆

; (3.2.10)

Формула для определения абсолютной погрешности

измерительного канала:

∆+∆=∆

; (3.2.11)

09,1555,0629,0745,07933,0 ≈+=+=∆

;

Из градуировочной таблицы 1

С (для данной точки)

ХС

ОмС

−

09,1

38,01

;

410,ΔR

(Ом);

Определим действительное значение сопротивления:

(

)

(

)

=⋅⋅−⋅⋅+⋅=⋅+⋅+⋅=

−− 2732

098,55

55,9810841,555,98109690,311001R tBtAR

(

)

66,138005672,039114,01100 =−+⋅=

(Ом); (3.2.12)

Таблица 3.2.2 Результаты вычислений

Измеренная

температура

Действительное

значение

сопротивления

R ТСМ

изм.ИПМ

∆

98,55 138,55 138,66

98,85 0,13 0,3

(

)

Рис 3.3.1 Структурная схема измерительного канала ТХК(L)-Р4833

-термопреобразователь ТХК(L) (ТХК, класс В,-

С..+800

С);

-прибор измерительный образцовый Р4833.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

103

Рис 3.3.2 Схема измерительного канала с датчиком ТХК(L)

-термопреобразователь ТХК(L) (ТХК, класс В,-

С..+800

С);

-измерительный преобразователь модульный ИПМ0399/М3

(вход: датчик ТХК(L), -50

С..+800

С, выход 4..20мА, RS-

232);

-персональный компьютер.

Расчёт погрешности для ИК ТХК(L)-Р4833.

Формула для определения абсолютной погрешности

прибора Р4833:













+⋅⋅±=∆ U

105U

; (3.3.1)













⋅

⋅⋅±=













+⋅⋅±=∆

−−

U 84,4

10001,0

10584,4

1,0

105

(

)

mVmV

344

1042,784,1410584,410105

−−−

⋅=⋅⋅=+⋅⋅=

;

Для ТХК (ГОСТ) в диапазоне -40÷+360

2,5t =∆

mV074,01

451,798

525,799

−

;

5,2

074.01

;

mVx 185,0

;

Температура в помещении была измерена с точностью

до 0,1

С и составляла 25,55

С.

Для

0363,055,0

0066,01,0

066,01

685,128

619125

−

;

mV655,155,25

−

; (3.3.2)

Измеренное значение:

mV495,6655,184,4

;

mVE 495,6

;

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

104

При таком значении ЭДС температура равна +95

с.

Формула для определения абсолютной погрешности

измерительного канала:

∆+∆=∆

; (3.3.3)

)(18508,0)1042,7(185,0

232

mVmv =⋅+⋅=⋅+=∆

− -5-3

105,5103,42

;

Таблица 3.3.1 Результаты вычислений

Измеренная

температура

Действительное

значение по

гр. ТП

изм

∆

(mV)

∆

98,55 6,75515 6,495 95

0,2565 3,55

Расчёт погрешности для ИК ТХК(L)-ИПМ0399/М3.

Измеренная температура на дисплее ИПМ во время

проведения эксперимента составляла: 98,53

С.

Для термопары ТХК(L) (ГОСТ) в диапазоне -40÷+360

2,5t =∆

В руководстве по эксплуатации для ИПМ0399/М3,

работающих в комплекте с ТХК в диапазоне преобразования

--50÷+600

С задаются пределы допускаемой основной

приведенной погрешности

, при этом

(

)

;

где *-одна единица последнего разряда, выраженная в

% от диапазона преобразования.

В ИПМ используется 10-ти разрядный АЦП, т.е. n=10.

Поэтому

CЕМР

635,0

1023

650

≈=

−

. Т.к. % от диапазона

преобразования

%0976,0100

650

635,0

=⋅

(3.3.4)

Таким образом, погрешность ИПМ для данного канала:

(

)

%4976,00976,04,0 =+±=γ

т.к.

100⋅

∆

;

отсюда

23,3

100

6504976,0

100

⋅

=∆

; (3.3.5)

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

105

Формула для определения абсолютной погрешности

измерительного канала:

∆+∆=∆

; (3.3.6)

08,468,1643,1025,623,35,2 ==+=+=∆

;

Таблица 3.3.2 Результаты вычислений

Измеренная

температура

Действительное

значение по

гр. ТП

изм

∆

(mV)

∆

98,55 6,75515 6,7537 98,53 0,00145 0,02

Основной структурной единицей любой измерительной

системы (ИС) является измерительный канал. При этом в

различных метрологических документах приводятся

размытые, не согласованные друг с другом определения

ИК. Общее в них только то, что ИК представляет собой

цепь последовательно соединённых технических средств,

образующих непрерывный путь прохождения измерительной

информации от её входа до выхода и предназначенных для

измерения одной физической величины. Расхождения

начинаются далее: по использованию ИК, по его

структуре, по виду измерительной информации в ИК, по

трактовке того, где и чем оканчивается ИК. Так в одних

определениях ИК понимаются как часть ИС, а других – как

отдельные самостоятельные средства. Относительно

структуры ИК в одних определениях все их технические

средства представляются как СИ в других – частично как

СИ и иные технические средства, в третьих – как

комплекс измерительных преобразователей (то есть СИ

конкретного вида) в четвёртых – просто как

функционально объединённая совокупность технических

средств. Под измерительной информацией, проходящей

через ИК, большинство определения понимает аналоговый

сигнал. По поводу места и вида окончания ИК также

существует разноголосица: в одних случаях ИК выполняет

законченную функцию от восприятия измеряемой величины

до её индикации или регистрации результата измерения

включительно (не уточняется, в каком виде) в других –

до преобразования результата измерений в сигнал,

удобный для использования вне ИС, в третьих – до

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

106

преобразования результата измерений в сигнал, удобный

для ввода в цифровое или аналоговое устройство,

входящее в состав ИС, в четвёртых – вообще отсутствует

указание на то, где и чем кончается процесс измерения

физической величины в ИК.

Что же в нашем случае представляет измерительный

канал (ИК)?

Под измерительным каналом в нашем случае следует

понимать часть измерительной системы, так как такие

приборы как Р4833 и ИПМ0399/М3 – являются

многофункциональными устройствами и в одной

измерительной системе могут быть сформированы различные

пути прохождения сигнала. ИК каналы могут быть простыми

и сложными. В простом ИК реализуется прямой метод

измерений путём последовательных измерительных

преобразований. Сложный измерительный канал (ИК) в

первичной части представляет собой совокупность

нескольких простых ИК, сигналы, с выхода которых

используется для получения результата косвенных,

совокупных или совместных измерений.

Каналы измерения изображённые на рис.3.1.1,

рис.3.2.1., рис.3.3.1 представляют собой простые ИК.

Измеряемой величиной в данных каналах является:

сопротивление медного термопреобразователя,

сопротивление платинового термопреобразователя и

термоЭДС преобразователя ТХК соответственно. В ходе

измерений с помощью прибора Р4833 мы определяем

числовое значение измеряемых величин. Для получения

результатов, по которым можно судить о температуре

объекта, нам необходимо воспользоваться либо таблицами

НСХ, либо провести расчёты по формулам интерполяционной

зависимости, что мы и сделали в пунктах 3.1, 3.2, 3.3.

В свою очередь измерительные каналы изображённые на

рис.3.1.2, рис.3.2.2, рис.3.3.2 являются сложными ИК.

Это потому что в данных каналах происходит многократное

преобразование измеряемой величины. Данные

преобразования производит прибор ИПМ0399/М3. В самом

начале значение измеряемой величины (сопротивление,

термоЭДС) измеряется и преобразуется в модуле АЦП в

цифровой сигнал, для удобства его дальнейшего

использования. Далее в модуле управления ИПМ0399/М3

происходит преобразование кода полученного от АЦП и с

помощью интерфейсного модуля происходит обмен

информацией по компьютерной сети согласно протокола RS-

232. Также модуль управления снабжён блоком

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

107

светодиодной индикации, что позволяет в процессе работы

фиксировать численное значение измеряемой величины уже

отмасштабированное согласно НСХ. Далее сигнал поступает

в модуль ЦАП, где происходит его преобразование в

унифицированный аналоговый сигнал 4..20mA, который

можно использовать в дальнейших измерениях и

преобразованиях ИС.

Таким образом можно сказать, что все действующие

метрологические российские документы в области ИС и их

подвидов неявно исходят в своих положениях из

технологии реализации нецифровых ИС, сформированной 30-

40 лет назад и основанной на глобальной обработке

измерительной информации в виде унифицированных

аналоговых и дискретных сигналов. Даже в новые

документы последних лет некритически без учёта

достижений современных информационных цифровых

технологий перенесены явно устаревшие представления и

положения метрологии 70-80-х годов прошлого столетия.

Что же характерно для постепенно уходящих в прошлое

нецифровых ИС? Например, для такого прибора, как прибор

Р4833. На рисунке 3.4.1. приведена типовая структурная

схема ИС, содержащая датчик с аналоговым выходом и

одноканальный измерительный преобразователь.

( ) ()

∫

⋅⋅−⋅=

dxtkty

)(

τττ

)(

∆

Рис. 3.4.1 Метрологическая структурная схема прямых измерений

изменяющихся величин. Средство измерений линейное аналоговое.

Сигнал подвергается масштабированию с коэффициентом

К, принятым в качестве номинального для данного

средства измерений. После этого выполняется

сопоставление со шкалой и отсчёт по шкале декадных

переключателей значений измеряемой величины.

Для цифровых устройств получение числовых

результатов измерений происходит только в конечном

компоненте ИС – в ЦВК в процессе приёма им в реальном

времени кодов АЦП и их обработки. В такой структуре ИС

преобразования измерительной информации распределены

пространственно между компонентами системы, но жестко

связаны во времени: информация на выходе одного

компонента должна в реальном времени и с минимальными

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

108

задержками быть обработана следующим компонентом ИК.

Длительное хранение информации, представленной в

аналоговом или дискретном виде, невозможно. Такую

структуру можно назвать слабосвязанной в пространстве

(компоненты конструктивно и пространственно обособлены

друг от друга), но сильносвязанной во времени (связь

между функционирующими компонентами нельзя прервать во

времени). Для этих ИС все операции, производимые теми

или иными компонентами, являются составной частью

процесса измерения и не могут быть из него вычленены.

Неправильная работа какого-либо компонента, даже

такого, как линия связи автоматически приведёт к

ошибочному результату, т.е. к метрологическому отказу.

В итоге, хотя ИС содержит пространственно,

конструктивно и функционально обособленные компоненты

различного назначения, система в целом должна

рассматриваться как единое СИ с вытекающими из этого

соответствующими метрологическими последствиями.

На основании вышеизложенного становится понятно,

что в современную законодательную и практическую

метрологию необходимо ввести такое понятие: «цифровой

измерительный канал». Также необходимо отделить

процессы измерения от процессов цифровых вычислений и в

связи с этим пересмотреть ряд таких понятий метрологии,

как «косвенные измерения», «совместные измерения»,

«совокупные измерения», «сложный измерительный канал».

Так как в микропроцессорных СИ прямые измерения

составляют лишь незначительную часть всего процесса

нахождения значения измеряемой ФВ. Второй и главной

частью которого являются операции хранения, передачи и

обработки результатов прямых измерений, представленных

в числовом (в цифровом) виде. Такие операции до сих пор

рассматриваются традиционной метрологией как косвенные

измерения, хотя по существу к процессу измерения уже

никакого отношения не имеют. Когда неизмерительные

операции реализуются в рамках конструктивно и

функционально законченного СИ, то отделить их от

измерительных операций не представляется возможным: на

выходе СИ имеется числовой результат и внутренние

операции его получения метролога не интересуют.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

109

1. В ходе выполнения данной дипломной работы был

смонтирован стенд для измерения температуры и

поверки, градуировки измерительного канала. В

качестве измерительного оборудования в этом стенде

были использованы измерительные модульные

преобразователи ИПМ0399/М3 выпускаемые на научно-

производственном объединении «Элемер». Для настройки

и калибровки данных преобразователей использовался

IBM-совместимый компьютер с установленной программой

«Настройка приборов серии ИПМ0399/М3». В процессе

работы на стенде мы столкнулись с тем, что при

использовании программы «Настройка приборов серии

ИПМ0399/М3» невозможно отображать на мониторе

компьютера графики данных с двух приборов ИПМ

одновременно. При решении данной задачи было

установлено, что существует программа

OPCDataStore_v2.41, которая позволяет решить эту

проблему. Данная программа была протестирована на

компьютере Pentium-IV и доказала свою

работоспособность. Однако для работы на

демонстрационном стенде применить её не удалось.

Ввиду того, что в установленном компьютере оказались

низкие аппаратные мощности.

2. В процессе проведения эксперимента было проведено

измерение температуры кипящей воды, как

фиксированной температурной точки. Измерение

проводилось с использованием 3-х датчиков: ТСП, ТСМ,

ТХК по 6-ти измерительным каналам:

а б в

Рис.4.1 Измерительные каналы

3. В аналитической части работы были рассчитаны

погрешности по каждому измерительному каналу.

Полученные результаты оказались весьма

удовлетворительными. Погрешности по 5-ти каналам

оказались меньше рассчитанных и только для канала

погрешности оказались больше, чем

рассчитанная погрешность канала. Возможно, что

ошибка, скорее всего, связана с тем, что необходимо

было измерить температуру свободных концов вблизи

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

110

термопары, а не в помещении. Об этой проблеме было

указано в статье Василия Кинёва.[1] В данной статье

был предметно рассмотрен вопрос о компенсации

температуры холодного спая термопары при подключении

её к контроллеру «ADAM». Скорее всего, данная

проблема и не позволила нам произвести более точные

измерения. Однако в измерительном канале

данной проблемы не было. Т.к. в

приборе ИПМ0399/М3 она решена и это позволило

произвести измерения более точно. И полученная

погрешность не вышла за рамки рассчитанной

погрешности измерительного канала.

4. При рассмотрении вопроса о практическом

применении демонстрационного стенда мы пришли к

выводу, что данный стенд можно использовать:

a. для поверки ИК ТХК(L)-ИПМ0399/М3 с помощью

прибора Р4833, который позволяет измерить

термоЭДС с точностью до mV

107

−

⋅ . Что позволяет

нам определить погрешность в данном ИК с большей

точностью. Однако для таких ИК, как ТСП-

ИПМ0399/М3 и ТСМ-ИПМ0399/М3 поверку произвести не

удастся, так как прибор Р4833 измеряет

сопротивление с погрешностью Oм2,0 и это не

позволит нам точно посчитать погрешность.

b. для градуировки измерительных каналов, в состав

которых входят как термопары, так и

термосопротивления. Т.к. полученная погрешность в

процессе измерения температуры была меньше

рассчитанной погрешности. Но необходимо отметить,

что в эксперименте был использован термостат

кустарного изготовления, что не позволило

произвести измерения температуры для разных точек

диапазона измерения. Для проведения полноценного

эксперимента необходимо установить калибратор

температуры (термостат) заводского изготовления,

который выдерживает заданную температуру с

точностью до 0,1

С.

Примером такого оборудования может послужить

калибратор температуры КТ-110, выпускаемый на

научно-производственном объединении «Элемер»

изображённый на рисунке 4.2.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

111

Рис 4.2 Калибратор температуры КТ-110

Калибратор температуры КТ-110 предназначен для

воспроизведения температур в диапазоне от минус 40 до

110°С. КТ-110 используется при поверке и калибровке

термопреобразователей сопротивления по ГОСТ 6651-94 и DIN

N 43760, преобразователей термоэлектрических по ГОСТ Р

50431-92, термопреобразователей с унифицированным

выходным сигналом , а также термопреобразователей с

индивидуальными статическими характеристиками

преобразования.

Функциональные особенности

КТ-110 с прецизионным регулятором температуры имеет

цельнометаллический термостатирующий блок с отверстиями,

в которых размещаются поверяемые термопреобразователи.

КТ-110 позволяет проводить поверку без использования

термостатов с водоледяной смесью.

Охлаждение и нагрев термостатирующего блока

осуществляется элементами Пельтье.

Температура термостатирования устанавливается

оператором с помощью клавиатуры на панели управления.·

Наличие интерфейса RS232 делает несложной калибровку

прибора.

Конструкция КТ-110 обеспечивает высокую точность

воспроизведения и передачи температуры, а также

стабильность ее поддержания.

Технические характеристики

Параметры электропитания:

напряжение, В 220(+22 -33);

частота, Гц 50±1;

потребляемая мощность, не более 200Вт;

Диапазон температур, °С;

-25..+110 при воздушном охлаждении (при температуре

окружающего воздуха +20°С);

-40..+110 при водяном охлаждении.

с. стенд, возможно, использовать как

демонстрационный при проведении конструкторской

практики у студентов различных форм обучения. Это

позволит повысить навыки работы студентов на

персональном компьютере. Даст общее представление

о настройке и калибровке промышленного

оборудования с помощью специальных разработанных

компьютерных программ. Закрепит знания по

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com