Погрешности датчиков температуры

Обратим внимание, что для вычисления напряжения как холодного, так и горячего спая используется одна и та же градуировочная таблица (полином). Это становится возможным благодаря "правилу промежуточных проводов", согласно которому если контакт двух металлов сделан через промежуточный металл (например, константан и железо соединены через медь, как на рис. 6.8 ), то промежуточный металл не влияет на результирующую э. д. с. если его концы имеют одинаковую температуру. Таким образом, свободные концы термопары, соединенные с измерителем напряжения медными проводами (рис. 6.8 -а), можно рассматривать как второй контакт между константаном и железом.

Измерение температуры с помощью термопары выполняется косвенным методом: сначала измеряется напряжение между свободными концами термопары и их температура . Затем путем решения уравнения (6.2) относительно находится измеряемая температура. Чтобы исключить необходимость решения нелинейного уравнения (6.2), обычно используется табулированная функция, обратная , т.е. , приведенная в ГОСТ Р 8.585-2001. Описанная процедура называется "компенсацией температуры холодного спая ".

В модулях ввода сигналов термопар (например, в модуле NL-8TI (pdf 1,2 Мб) серии RealLab! указанные нелинейные зависимости хранятся в ПЗУ микропроцессора и необходимые вычисления выполняются автоматически. Пользователю нужно только задать тип термопары (см. табл. 6.31 ) и подключить ее к модулю ввода. Температура свободных концов ("холодного спая") измеряется встроенным в модуль датчиком температуры (рис. 6.8 -б), в качестве которого чаще всего используется терморезистор.

Погрешности датчиков температуры датчик

Очень важно обеспечить хороший тепловой контакт между свободными концами термопары и датчиком их температуры. С этой целью для точных измерений используют медную или алюминиевую пластину, к которой через диэлектрическую прокладку прикрепляются свободные концы термопары и датчик температуры. Конструктив выполняется таким образом, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт пластины с датчиком и термопарными проводами, а также изотермичность поверхности.

Для подключения термопары к модулю ввода используют специальные термопарные провода. выполненные из того же материала, что и сама термопара. Для этой цели можно использовать и обычные медные провода, однако в этом случае необходим выносной датчик температуры холодного спая, который должен измерять температуру в месте контакта термопары с медными проводами.

Зависимость напряжения между свободными концами термопары от температуры при условии, что температура холодных концов стабилизирована на уровне 0°С, в стандартах NIST* и ГОСТ Р описывается полиномом вида [ГОСТ. Temperature ]:

Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических датчиков давления цифровыми вторичными преобразователями

Библиографическое описание: Катков А. Н. Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических датчиков давления цифровыми вторичными преобразователями [Текст] / А. Н. Катков // Молодой ученый. — 2011. — №8. Т.1. — С. 58-60.

Введение. Давление представляет собой важный информативный параметр многих физических процессов. Задача измерения давления решается разнообразными измерительными приборами, важным классом которых являются датчики давления. Датчики давления основываются на различных принципах, среди них большую долю занимает тензорезистивный принцип измерения [1].

Преимуществом тензорезистивных датчиков давления является сравнительно низкая нелинейность, недостатком – значительная температурная погрешность. Непрерывно растущие требования к точности измерительной информации диктуют необходимость коррекции погрешностей тензометрических датчиков давления. Аналоговые методы коррекции погрешностей, основанные на аналоговых схемотехнических решениях, например, изложенные в [2, 3], не позволяют достичь высоких метрологических характеристик, поэтому в последние несколько лет все шире применяются цифровые методы коррекции погрешностей, выполняемые цифровыми вторичными преобразователями датчиков давления.

Погрешности датчиков температуры измерения температуры

Алгоритмы коррекции нелинейности и температурной погрешности. Алгоритмы коррекции нелинейности и температурной погрешности, выполняемые цифровыми вторичными преобразователями сигналов тензометрических датчиков давления, основываются на математических моделях измерительных сигналов датчиков. Эти модели отражают существенные взаимосвязи между значениями измеряемой величины, значениями внешних воздействующих факторов и значениями выходного сигнала датчика.

Наибольший вклад в дополнительную погрешность тензометрических датчиков давления вносит температура. Влияние температуры вызывает изменение начального сигнала (аддитивная составляющая температурной погрешности) и чувствительности (мультипликативная составляющая) датчиков. Для коррекции температурной погрешности применяется метод вспомогательных измерений [4], заключающийся в добавлении чувствительного элемента температуры в структуру датчика давления. Требования к характеристикам чувствительного элемента температуры, а также теоретическая оценка нижней границы неисключенной температурной погрешности датчика давления исследованы в [5]. Измерительные сигналы давления и температуры подаются на АЦП, расположенный во вторичном преобразователе.

Зависимости изменений кодов АЦП начального сигнала от кодов АЦП температуры и относительных изменений чувствительности от кодов АЦП температуры, а также зависимость кодов АЦП давления от давления определяются экспериментально на этапе совместной настройки датчиков и вторичных преобразователей, после чего аппроксимируются полиномами первой-третьей степеней либо кубическими сплайнами. Следует отметить, что аппроксимируется не сама зависимость кодов АЦП давления от давления, а обратная ей зависимость выходных кодов давления от кодов АЦП давления (рисунок 1).

Рисунок 1 – Модель измерительных сигналов тензорезистивных датчиков

Алгоритм коррекции нелинейности и температурной погрешности заключается в последовательном вычислении поправок для коррекции аддитивной и мультипликативной составляющей температурной погрешности, внесении их в результат измерения давления и коррекции нелинейности с одновременным нормированием сигнала к заранее заданным пределам изменения выходного кода давления. Для случая аппроксимации температурных характеристик полиномами второй степени и градуировки – кубическим сплайном пример реализации алгоритма на языке Си показан ниже.

// Вычислить поправку для коррекции аддитивной составляющей

dx = EvalParabola(t,AddParabola);

// Вычислить поправку для коррекции мультипликативной составляющей

k = EvalParabola(t,MultParabola);

// Вычислить промежуточный код давления

Out_code = EvalSpline(dp_t,9,Grad,SG);

Подобный алгоритм изложен в [6] и может одинаково успешно применяться в датчиках абсолютного и избыточного давлений, а также в датчиках односторонней разности давлений. Для датчиков знакопеременной разности давлений рассмотренный алгоритм неприменим, потому что в таких датчиках, во-первых, начальному сигналу соответствует средняя точка градуировочной характеристики, а во-вторых, имеется две мультипликативных составляющих температурной погрешности (для положительного и отрицательного пределов измерений), в общем случае не подобных друг другу. Поэтому при коррекции погрешностей таких датчиков аппроксимируется зависимость изменений средней точки градуировки от кодов АЦП температуры и две зависимости относительных изменений чувствительности. Ниже приведен пример реализации алгоритма для случая аппроксимации всех характеристик кубическими сплайнами.

else if(adc_code < ZERO_NCC_DP)

k = SplineMultNeg(temp);

// коррекция мультипликативной составляющей

adc_code = (adc_code - ZERO_NCC_DP)*k + ZERO_NCC_DP;

// Вычислить выходной код

Out_code = SplineGrad(adc_code);

В тех случаях, когда датчик давления имеет низкую нелинейность, и требуется корректировать только температурную погрешность, целесообразно применять другой алгоритм, который заключается в аппроксимации температурных зависимостей нулевого и номинального сигналов полиномами или сплайнами и линейной аппроксимации градуировочной характеристики (рисунок 2):

Рисунок 2 – Модель измерительных сигналов датчика давления с линейной градуировочной характеристикой

Погрешности датчиков температуры погрешность

На первом шаге алгоритма по коду АЦП температуры вычисляются коды АЦП нулевого и номинального давлений в текущей температуре, на втором шаге полученные коды принимаются за абсциссы концов отрезка, ординаты которых строго фиксированы, вычисляются коэффициенты прямой, используемые при вычислении выходного кода давления. Пример реализации такого алгоритма для случая аппроксимации полиномами третьей степени приведен ниже:

// Вычислить код нулевого давления в текущей температуре

N 0 = EvalP oly 3(temp, ZeroPoly 3);

// Вычислить код номинального давления в текущей температуре

NN = EvalP oly 3(temp, NominalPoly 3);

// Коррекция температурной погрешности

// и вычисление выходного кода

Out _code = EvalOutCode(adc_code,N0,NN);

Анализ вычислительных затрат на реализацию алгоритмов аппроксимации характеристик тензометрических датчиков давления проведен в работе [7]. Показано, что вычисление коэффициентов аппроксимирующих кривых встроенным программным обеспечением вторичных преобразователей после включения питания целесообразно и занимает вполне приемлемое время – порядка единиц-десятков миллисекунд – с учетом того обстоятельства, что время готовности датчиков к работе обычно составляет единицы-десятки минут.

Методика автоматизированной настройки тензометрических датчиков давления изложена в работе [8], основана на вычислении коэффициентов аппроксимирующих функций встроенным программным обеспечением вторичных преобразователей и позволяет радикально снизить трудоемкость совместной настройки датчиков и вторичных преобразователей по сравнению с методикой, изложенной в [6], за счет реализации командного режима работы вторичных преобразователей с арбитражем по номерам датчиков и проведения одновременной настройки нескольких (до 30) экземпляров датчиков на одинаковый предел измерений.

Заключение. Рассмотренные алгоритмы коррекции температурной погрешности и нелинейности тензометрических датчиков давления цифровыми вторичными преобразователями применимы к любым типам тензометрических датчиков – к полупроводниковым датчикам, к тонкопленочным и другим. Датчики давления, оснащенные цифровыми вторичными преобразователями со встроенным программным обеспечением, выполняющим описанные алгоритмы, обладают высокими метрологическими характеристиками. Основная погрешность таких датчиков не превышает величины 0,1 %.

Следует отметить, что свойственные тензометрическим датчикам погрешности вариации и гистерезиса не могут быть скорректированы рассмотренными алгоритмами. Вариацию и гистерезис следует устранять конструктивно-технологическими методами.

Литература:

Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. – М. Машиностроение, 1979 г. – 480 с. ил.

  • Мартынов Д.Б. Стучебников В.М. Температурная коррекция тензопреобразователей давления на основе структур КНС // Датчики и Системы, №10, 2002, с. 6-12.
  • Тихоненков Е.В. Мишин В.А. Схемная минимизация аддитивной температурной погрешности тензорезисторных датчиков давления с мостовой измерительной цепью // Датчики и Системы, № 3, 2006, с. 14 - 17.
  • Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств / М. Изд-во стандартов, 1972 г. – 199 с.
  • Катков А.Н. Оценка достижимой погрешности цифровых датчиков и необходимой чувствительности измерения влияющих факторов // Известия Смоленского государственного университета, №2, 2011, с. 140-146.
  • Горбунов С.Ф. Цыпин Б.В. Линеаризация градуировочных характеристик емкостных датчиков давления // Измерительная техника, № 10, 2010, с. 23-25.
  • Катков А.Н. Анализ вычислительной сложности алгоритмов аппроксимации характеристик чувствительных элементов цифровых датчиков / Информационно-измерительная техника: межвуз. сб. науч. тр. Под ред. д.т.н. проф. Е.А. Ломтева. Вып. 36. – Пенза, Изд-во ПГУ, 2011. – 215 с. с. 166-177.
  • Катков А.Н. Методика автоматизированной настройки цифровых датчиков // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: тр. Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 19-22 апреля 2011). в 2 т. / под ред. д.т.н. профессора М.А. Щербакова. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. – 1 т. 318 с. с. 275-276.

  • Способ определения погрешности измерения температуры

    Вледельцы патента:

    Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"

    Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано в теплотехнике, атомной энергетике, химической промышленности, а также в различных технологических процессах и установках, использующих теплоноситель в жидкой фазе. Способ определения погрешности измерения температуры на объекте включает контроль показаний датчика температуры, который установлен на объекте с теплоносителем. Контроль заключается в фиксации контролируемых показаний датчика температуры в момент наступления температурной остановки процесса охлаждения. При этом в качестве действительной температуры принимают температуру затвердевания теплоносителя объекта, а погрешность определяют как разницу между измеренной и действительной температурами. Способ позволяет упростить процесс измерения погрешности в труднодоступных местах установки датчиков, так как обеспечит определение погрешности измерения без демонтажа датчиков.

    Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано в теплотехнике, атомной энергетике, химической промышленности, а также в различных технологических процессах и установках, использующих для интенсификации переноса тепла теплоноситель в жидкой фазе.

    В современной промышленности широко применяются объекты с теплоносителем в жидкой фазе, например энергетические установки, использующие атомные реакторы с жидкометаллическими контурами охлаждения. В качестве теплоносителей наиболее распространены литий и натрий. В процессе эксплуатации энергетических установок, а также при стендовой отработке их узлов и агрегатов необходимо с высокой точностью контролировать температуру в десятках точек объекта. Диапазон рабочих температур составляет от 200 до 1000 o C. Высокая точность измерения температура позволяет оптимизировать параметры установок и обеспечить безопасность их эксплуатации.

    Для измерения температур энергетических установок широко применяются накладные (поверхностные) и погружные термометры. Как правило, это термометры сопротивления и термопары.

    Источниками погрешностей измерения могут быть: - изменение номинальных статических характеристик термометров за счет деградации материалов чувствительных элементов и ухудшения диэлектрических характеристик изоляции под воздействием температуры, временного фактора и внешней среды; - изменение условий теплообмена термометров и контролируемого объекта.

    Для выявления вышеуказанных погрешностей измерения и повышения точности измерения температур в процессе эксплуатации объекта необходимо периодически определять погрешность измерения температуры без демонтажа термометров. При этом надо учитывать, что определение погрешности может быть осложнено затруднением доступа к контролируемым объектам и термометрам. В частности, из-за размещения объекта в вакуумной камере и возможной высокой его радиактивности.

    Известен способ определения погрешности измерения температуры, при котором датчик температуры периодически демонтируется с объекта и поверяется на специальной установке по постоянным точкам затвердевания (плавления) металлов, таких как свинец, олово, цинк, сурьма, алюминий, серебро или медь /1, 2/.

    При этом один из указанных выше металлов с поверяемым термометром помещается в тигель из огнеупорного материала, размещенный в полости специальной электропечи. Затем тигель нагревают до температуры превышающей на 15-20 o C температуру плавления металла и охлаждают вместе с печью, непрерывно контролируя показания поверяемого термометра. Погрешность термометра определяют сравнением его показаний в момент затвердевания, определяемым по наступлению температурной остановки процесса охлаждения, характеризующегося постоянством во времени сигнала термометра, с действительной температурой, в качестве которой принимают температуру затвердевания металла.

    Недостатком описанного способа является то, что он не может быть использован для поверки термометров непосредственно на контролируемых объектах, в частности на высокотемпературных объектах с жидкометаллическими теплоносителями. Тем самым, например, не определяется погрешность, вызываемая изменением условий теплообмена термометра и контролируемого объекта.

    Известен способ определения погрешности измерения температуры контактными термометрами непосредственно в условиях эксплуатации путем поверки термометров без их демонтажа /3/.

    Способ включает установку на изучаемый объект двух дополнительных контрольных термометров, первый из которых смонтирован вместе с поверяемым термометром, а второй - вне зоны возмущения температурного поля изучаемого объекта поверяемым и первым контрольным термометрами. Второй контрольный термометр подвергают тепловому воздействию, идентичному воздействию на первый контрольный термометр, регистрируют показания термометров и определяют общую погрешность поверяемого термометра как разность показаний поверяемого и первого контрольного термометров. При этом методическую погрешность поверяемого термометра определяют как разность показаний контрольных термометров.

    Недостатком описанного способа является его малая эффективность при измерении температуры поверхностными термометрами на высокотемпературных объектах с интенсивным теплообменом из-за практической невозможности создания условий теплового воздействия на второй контрольный термометр, идентичных воздействию на первый контрольный термометр. Кроме того, реализация способа чрезвычайно трудоемка и требует доступа к исследуемым объектам.

    Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения погрешности измерения температуры термопарами непосредственно в условиях эксплуатации путем определения погрешностей термопар без их демонтажа /4/, принятый автором за прототип и базовый объект.

    Сущность метода состоит в следующем.

    Для обеспечения бездемонтажной периодической поверки термопары, контролирующей тепловой режим работы активной зоны атомного реактора, поверяемую термопару устанавливают внутри реактора в составе многоточечного термопарного (до 5 термопар) устройства. Термопара оснащена поверочным устройством, представляющим собой снабженную электрическим нагревателем ампулу, внутри которой размещен один из поверочных металлических теплоносителей (свинец, олово, цинк, сурьма, алюминий, серебро или медь).

    В обычном состоянии термопара показывает температуру ампулы с поверочным металлическим теплоносителем. При проведении поверки термопары нагревателем доводят температуру ампулы до температуры плавления металлического теплоносителя и фиксируют показания термопары. Погрешность измерения температуры определяют путем сравнения показания термопары с действительной температурой, в качестве которой принимают температуру плавления металлического теплоносителя.

    Недостатком описанного способа является его малая эффективность при измерении температуры высокотемпературных объектов с интенсивным теплообменом, например контуров с жидкометаллическими теплоносителями из-за практической невозможности определения момента наступления фазового перехода (плавления или затвердевания) поверочного металлического теплоносителя.

    Кроме того, этот способ не может быть реализован при измерении температур в малых объемах и на поверхностях тонкостенных объектов из-за существенных габаритов поверочного устройства.

    Техническим результатом настоящего изобретения является повышение достоверности определения погрешности измерения температуры, упрощение процесса определения погрешности, в том числе в труднодоступных местах установки датчиков температуры, и обеспечение определения погрешности измерения температуры без демонтажа датчиков, значительно увеличивая рабочий ресурс объекта, в котором функционируют эти датчики.

    Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения погрешности измерения температуры, включающем контроль показаний датчика температуры, установленного на объекте с поверочным теплоносителем, изменение температуры теплоносителя, фиксацию контролируемых показаний датчика в момент фазового перехода теплоносителя и сравнение этих показаний датчика с действительной температурой, за которую принимают температуру фазового перехода теплоносителя, в качестве поверочного теплоносителя используется теплоноситель контролируемого объекта.

    Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

    В качестве объекта с теплоносителем рассмотрим, например, высокотемпературный контур с жидкометаллическим теплоносителем.

    Типовой контур состоит из теплогенератора, холодильника, насоса, загрузочного и расширительного баков, технологических нагревателей и датчиковой аппаратуры.

    Рабочая температура контура задается режимом работы теплогенератора и обеспечивается насосом, осуществляющим циркуляцию теплоносителя по контуру. Предварительно теплоноситель с помощью технологических нагревателей расплавляют. При этом для определения погрешности измерения температуры в исследуемом месте контура контролируют показания установленного в этом месте поверяемого датчика температуры. Сигнал этого датчика во времени постоянно увеличивается до того момента, когда происходит расплавление теплоносителя, определяемое по наступлению температурной остановки процесса нагрева, характеризующегося постоянством во времени сигнала поверяемого датчика. Этот сигнал фиксируют и сравнивают с действительной температурой, в качестве которой принимают температуру плавления теплоносителя объекта. По разности этих температур определяют погрешность измерения.

    Погрешность измерения температуры в контуре можно определить также при переводе теплоносителя из жидкого агрегатного состояния в твердое, принимая в качестве действительной температуры температуру затвердевания теплоносителя. Для этого отключают питание теплогенератора, а равномерность и плавность остывания теплоносителя обеспечивается его циркуляцией по контуру с помощью насоса. Сигнал поверяемого датчика во времени постоянно уменьшается до того момента, когда происходит затвердевание теплоносителя, определяемое по наступлению температурной остановки процесса охлаждения, характеризующегося постоянством во времени сигнала поверяемого датчика. Этот сигнал фиксируют и сравнивают с действительной температурой. По разности этих температур определяют погрешность измерения.

    При контроле показаний всех датчиков температуры, установленных на контуре, можно за один цикл изменения агрегатного состояния теплоносителя практически одновременно определить погрешность измерения температуры в местах установки этих датчиков.

    Таким образом, предлагаемый способ определения погрешности измерения температуры в объекте с теплоносителем, основанный на контроле показаний датчика температуры, установленного на объекте, в котором теплоноситель используется в качестве поверочного теплоносителя, изменении температуры теплоносителя, фиксации контролируемых показаний датчика в момент фазового перехода теплоносителя и сравнении этих показаний датчика с действительной температурой, за которую принимают температуру фазового перехода теплоносителя, повышает достоверность определения погрешности измерения температуры, упрощает процесс определения погрешности, в том числе в труднодоступных местах установки датчиков температуры, и обеспечивает определение погрешности измерения температуры без демонтажа датчиков, значительно увеличивая рабочий ресурс объекта, в котором функционируют эти датчики.

    Кроме того, повышается эффективность поверки за счет возможности за один цикл изменения агрегатного состояния теплоносителя практически одновременно определить погрешность измерения всего температурного поля объекта в местах установки датчиков.

    Экспериментальная проверка предлагаемого способа определения погрешности измерения температуры проведена на высокотемпературном контуре, работающем в вакуумной камере при температурах до 100 o C. В качестве теплоносителя использовался литий с температурой плавления 180,5 o C. Температурное поле контура измерялось поверхностными и погружными термопарами.

    Испытания подтвердили правильность выбранных решений.

    Источники информации 1. Ленивег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем. Металлургия, М. - 1980, стр. 204, 206-207.

    2. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы, Госэнергоиздат, Л. - 1946, стр. 39-41.

    3. Авторское свидетельство СССР 1506300, кл. G 01 K 15/00, 1989.

    4. Лысиков Б.В. Прозоров В.К. Ректорная термометрия. - М. Атомиздат, 1980, стр. 69, 72-73, 81-82.

    Формула изобретения

    Способ определения погрешности измерения температуры на объекте, включающий контроль показаний датчика температуры, установленного на объекте с теплоносителем, заключающийся в фиксации контролируемых показаний датчика температуры в момент наступления температурной остановки процесса охлаждения, при этом в качестве действительной температуры принимают температуру затвердевания, а погрешность определяют как разницу между измеренной и действительной температурами, отличающийся тем, что в качестве действительной температуры затвердевания принимают температуру затвердевания теплоносителя объекта.

    Рекомендуем также прочитать
    Прецизионный интерфейс для резистивного температурного датчика (РТД)
    Датчики температуры Danfoss серий ESMT, ESM, ESMB, ESMU.
    Блок предохранителей Ваз-21074 инжектор 1-Реле обогрева заднего стекла 2-Реле очистителей и омывателей Фар(если есть)