Вторичные преобразователи температуры

Структуры цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления

Библиографическое описание: Катков А. Н. Структуры цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления [Текст] / А. Н. Катков // Молодой ученый. — 2011. — №8. Т.1. — С. 63-65.

Введение. В современном датчикостроении для повышения метрологических характеристик широко используется цифровая коррекция погрешностей. Применимость цифровой обработки измерительной информации и получаемые при этом преимущества детально рассмотрены в работе [1]. Алгоритмы коррекции погрешностей выполняются цифровыми вторичными преобразователями. Структуры таких преобразователей недостаточно освещены в литературе, за исключением работ [2-5].

Структуры цифровых вторичных преобразователей. Цифровой вторичный преобразователь содержит измерительный канал ИК, аналого-цифровой преобразователь АЦП, цифровой процессор ЦП, энергонезависимую память ЭППЗУ и цифровой интерфейс ЦИ (рисунок 1).

Рисунок 1 – Структурная схема вторичного преобразователя

Тензомост ТМ располагается в датчике давления и осуществляет первичное преобразование измеряемого давления в электрический выходной сигнал, обрабатываемый вторичным преобразователем. Преимуществами такой структуры являются простота построения, независимость от времени и влияющих факторов, высокие метрологические и эксплуатационные характеристики. Датчик с преобразователем подключается к цифровой шине передачи данных и работает в режиме ведомого по командам системы сбора измерительной информации. Рассмотренная структура подробно описана в [5], для емкостного датчика – в [4].

Однако же, в настоящее время эксплуатируется большой парк измерительных систем, построенных на аналоговых каналах передачи измерительной информации напряжением или током. Структура вторичного преобразователя с дополнительным аналоговым интерфейсом показана на рисунке 2. Аналоговый выходной сигнал может быть представлен напряжением 0-6 В, током 0-5 мА или 4-20 мА или каким-либо другим диапазоном. Недостатком такой структуры являются дополнительные аппаратные затраты на реализацию аналогового интерфейса, подверженность аналогового сигнала помехам при передаче и необходимость подведения отдельного кабеля к каждому датчику.

Рисунок 2 – Структурная схема вторичного преобразователя с дополнительным аналоговым выходом

Структура вторичного преобразователя для широко применяемого в измерительных системах двухпроводного интерфейса «токовая петля» 4-20 мА показана на рисунке 3. Значительный недостаток этой структуры – ограничение на потребляемый схемой ток – не более 4 мА. Это ограничение сдерживает совершенствование технических характеристик преобразователя, главным образом быстродействия, и усложняет алгоритм работы встроенного программного обеспечения. Вторичные преобразователи подобной структуры описаны в работах [ 2, 3 ] .

Рисунок 3 – Структурная схема вторичного преобразователя для токовой петли 4-20 мА

Структуры измерительных каналов вторичных преобразователей. Измерительный канал вторичного преобразователя выполняет аналоговую обработку измерительных сигналов датчика – фильтрацию и усиление. На рисунке 4а показана структура измерительного канала давления. Тензомост питается стабилизированным током (напряжением) от стабилизатора тока (напряжения) СТ (СН). Выходное напряжение тензомоста поступает на операционный усилитель, который усиливает напряжение в G раз и смещает его на величину E _см. Выходное напряжение усилителя является функцией давления и температуры.

Рисунок 4 – Структуры измерительных каналов давления и температуры

Для коррекции температурной погрешности требуется измерительный сигнал температуры. Датчиком температуры в составе полупроводникового тензометрического датчика давления может быть как сам тензомост (рисунок 4б), так и отдельный терморезистор, выполненный на одном кристалле с тензомостом (рисунок 4в). Сопротивление моста меняется с температурой, поэтому при питании постоянным током напряжение в верхней точке моста является функцией температуры. Это напряжение сквозь согласующий делитель подается на АЦП и служит измерительным сигналом температуры.

При наличии на кристалле терморезистора измерительный канал температуры строится делителем напряжения, питаемым постоянным напряжением. Как правило, чувствительность такого датчика температуры выше, чем при использовании напряжения в верхней точке моста. Однако же, на деформируемом давлением кристалле практически нет областей, свободных от механических напряжений, поэтому с изменением давления изменяется сопротивление терморезистора, т.е. возникает погрешность измерения температуры от давления.

В тонкопленочных тензометрических датчиках давления оба рассмотренных способа построения измерительного канала температуры неприменимы, потому что изменение сопротивления тензомоста слишком мало, а терморезистор из-за жестких габаритных ограничений размещать негде. Поэтому в таких датчиках используется так называемый «двойной мост» (рисунок 5). Тензомост, измеряющий давление, окружается тремя резисторами, включенными в мостовую схему, одно плечо которой изменяется при изменении температуры. Чувствительность внешнего моста невысока, поэтому приходится использовать дополнительный операционный усилитель для получения измерительного сигнала температуры. При этом двойной мост питается стабилизированным напряжением, а сопротивления всех ветвей необязательно должны быть равными. Требуется только равенство сопротивлений нижних плеч делителей и тензомоста и верхнего плеча делителя, формирующего внешний мост.

Рисунок 5 – Структура измерительного канала для тонкопленочного тензорезистивного датчика давления

Воздействие температуры на аналоговые узлы электроники приводит к отклонениям действительных значений сопротивлений, напряжений и токов от номинальных. Особенно ярко это проявляется при питании тензомостов стабилизированным током. Исследование температурной погрешности тока питания тензомоста и структурно-алгоритмический способ автоматической коррекции этой погрешности (включая структуру аналого-цифро-аналоговой обратной связи и алгоритм подстройки управляющего напряжения) изложены в работе [6].

Заключение. В статье рассмотрены структуры цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления, указаны их преимущества и недостатки, а также приведены структуры измерительных каналов.

Наиболее перспективным вариантом представляется структура, показанная на рисунке 1. Это объясняется грядущим повсеместным применением цифровых каналов связи в измерительных системах. Структуры с дополнительными аналоговыми интерфейсами являются промежуточным этапом, нужным на время переходного периода от аналоговых каналов к цифровым.

Литература:

Новиков В.Н. Чувыкин Б.В. Системы цифровой обработки измерительной информации и моделирование в датчикопреобразующей аппаратуре // Датчики и Системы, № 9, 2005, с. 24 - 28.

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Контрольно-измерительные приборы - устройства для получения информации о состоянии технологических процессов путем измерения их параметров (температур, давлений, расходов, уровней). К контрольно-измерительным приборам относятся первичные приборы и измерительные преобразователи. Первичные приборы могут быть показывающими сигнализирующими, самопишущими и с дистанционной передачей показания на расстоянии (к вторичному прибору). К измерительным преобразователям относятся датчики и преобразователи, работающие в комплекте со вторичными или регулирующими приборами.

Температуру теплоносителя измеряют с помощью термометров, которые подразделяют на термометры расширения, термоэлектрические, преобразователи, термопреобразователи сопротивления. Существуют термометры расширения жидкостные, дилатометрические и манометрические. Жидкостные технические термометры основаны на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в резервуаре. Их выпускают типа ТТ с пределами измерения от -30 до 200°С и типа ТТЖ — от -35 до 200 С. Эти термометры применяют в оправах и без них. Оправы могут быть двух типов — прямые типа ОТП и угловые типа ОТУ. Термометры ртутные стеклянные электроконтактные используют ДЛИ сигнализации или поддержании постоянной температуры от -30 до ЗО0°С: типа ТЗК — с заданным постоянным рабочим контактом, типа ТТЖ — с подвижным рабочим контактом. Термометры дилатометрические применяют в качестве реле для сигнализации или датчиков для двухпозиционных регулирований температуры воды. Их принцип действий основан на использовании разности коэффециента линейного расширения материалов биметаллической пластины — инвара и латуни. К таким приборам относятся реле температурные дилатометрические типа РТ-200 с пределами измерения 25—200 С одним размыкающим контактом. Термометры манометрические состоят из термосистемы, включающей термобаллон, соединительный капилляр, чувствительный элемент (манометрическую пружину), и показывающего, самопишущего или сигнализирующего устройства. Действие этих термометров основано на использовании зависимости между температурой и давлением рабочего тела в замкнутой герметичной системе. По виду рабочего тела манометрические термометры могут быть газовыми (типа ТПГ4, ТГС), жидкостными (типа ТПЖ4, ТЖС) и конденсационными.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) имеют термоэлемент, который развивает термоэдс, соответствующую температуре и измеряемую с помощью вторичных приборов (милливольтметров и потенциометров) или измерительной схемы регулирующего прибор. По материалу электродов термоэлемента термоэлектрические преобразователи, применяемые в водяных системах теплоснабжения, делят на хромель-копелевые (ХК) и хромель-алюмелевые (ХА).

Их изготовляют без чехла и со стальным чехлом — соответственно типам ТХК-0179 и ТХА-0179; они имеют стандартные градуировки шкал вторичных приборов ХКи ХА, пределы измерения -50—600 С, длину монтажной части 10—200© мм, максимальное давление 0,4—6,4 МПа.

Термопреобразователи сопротивления основаны на свойстве металлов изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Сопротивление, соответствующее температуре, измеряется вторичными приборами — логометрами, автоматическими мостами или с помощью измерительной схемы регулирующего прибора. В зависимости от материала чувствительного элемента эти термопреобразователи могут быть медными или платиновыми. Стандартные градуировки шкал вторичных приборов: 50М и 100М — при измерении медным термопреобразователем (сопротивление при 0 С 50 и 100 Ом соответственно) и 10П, 50П и 100П — при измерении платиновым термопреобразователем (сопротивление при О С 10; 50 и 100 Ом). Выпускают медные термопреобразователи сопротивления типа ТСМ-0879 с градуировкой 50М и 100М и пределами измерения -50—200 С для установки на трубопроводах; типа ТСМ-0879-01 — с теми же пределами, но без коробки для зажимов проводов; типа ТСМ-1079 — с пределами измерения 0—50 С для установки в помещениях. Платиновые термопреобразователи сопротивления аналогичны по применению и конструкции медным, но имеют другие пределы измерения: типа ТСП-0879 — от -50 до 600°С, типа ТСП-0879-01 — от -50 до 300°С, типа ТСП-1079 — от 0 до 50°С и градуировку — 50П, 100П. Существуют различные схемы присоединения термопреобразователей сопротивлений к измерительным приборам. В 4-проводной схеме полностью исключается влияние сопротивления присоединенных проводов на точность измерения. Термоэлектрические преобразователи и термопреобразователи сопротивления монтируют с помощью бобышек, привариваемых к трубопроводам и бокам. Преобразователи устанавливают перпендикулярно потоку либо под углом навстречу потоку. На трубопроводе малого диаметра предусматривают расширение.

Для преобразований сигналов в унифицированные термопреобразователи ТСП и ТСМ присоединяют к измерительным преобразователям НП561, НП562, НП563. Давление и перепад давлений измеряют манометрами и дифференциальными манометрами. По принципу измерения эти приборы делят на две группы: с упругими чувствительными элементами (деформационными) и жидкостные. Приборы деформационные выпускают: с трубчатой манометрической пружиной, мембранные, сильфонные, с отсчетным устройством без выходного сигнала — показывающие и самопишущие, без отсчетных устройств с электрическим выходным сигналом, с отсчетным устройством и электрическим выходным сигналом. Приборы жидкостные выпускают поплавковыми и с видимым уровнем. Расход и количество воды в системах теплоснабжеиия измеряют расходомерами переменного перепада давления, электромагнитными (индукционными) и ультразвуковыми расходомерами, скоростными счетчиками, измеряющими массу или объем воды, прошедшей через прибор в единицу времени (расход) или за какой-либо промежуток времени (час, сутки). В расходомерах переменного перепада давления измерение расхода основано на зависимости перепада давления в сужающем устройстве, устанавливаемом на трубопроводе, от расхода измеряемой среды. В комплект этих расходомеров входят сужающее устройство (нормальная диафрагма), диффенционный манометр, соединительные трубки с уравнительными сосудами, вентили и вторичный прибор. Основные данные и методику расчета диафрагм, их монтажсовместимость дифманометрами регламентируют действующими стандартами.

Электромагнитные (индукционные) расходомеры основаны на использовании закона электромагнитной индукции — в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется эде, пропорцией, скорости движения жидкости. Расходомеры тина ИР-61 состоят из первичного измерительного преобразователя ПРИМ или ПР и передающего измерительного преобразователя ИУ-61, на выходе которого формируется унифицированный сигнал в пределах 0—5 мА, пропорциональный измеряемому расходу, который поступает ко вторичному или регулирующему прибору. Максимальная рабочая температуpa измеряемой среды до 150 С.

Измерение уровней осуществляется уровнемерами механического и электрического типа и сигнализаторами уровня. К уровнемерам механического типа относятся указатель уровня типа УМП-100, предназначенный для измерения уровня воды в резервуарах с атмосферным давлением и температурой до 60 С; пределы измерения 0—1 м. К уровнемерам электрического типа относятся индикаторы уровня электронные типа ЭИУ-2 для измерения уровня в резервуарах с давлением до 2,5 МПа и температурой от -40 до 200 С; пределы измерения 1—20 метров.

Вторичные приборы — устройства, воспринимающие сигналы от первичного прибора или передающего измерительного преобразователя и преобразующие его в форму, удобрю для восприятия информации диспетчером и обслуживающим персоналом. Они могут быть показывающими, регистрирующими (самопишущие, печатающие) и комбинированными. Вторичные приборы устанавливают на щитах и в шкафах в местах, наименее подверженных вибрации и влиянию электромагнитных полей.

Выставочно-консультационный

центр в Москве

(фланцевое соединение)