1. Расчет измерительных каналов аср.

В состав измерительного канала входят:

• датчик Д;

• нормирующий преобразователь НП;

• гальванический разделитель ГР;

• аналого-цифровой преобразователь АЦП;

• показывающий прибор ПП;

• регистрирующий прибор РП;

• измерительный блок регулятора ИД РЕГ;

• монитор М;

  Датчик (Д) преобразует измеряемый параметр в электрический не цифровой сигнал (естественный сигнал). Различают следующие естественные сигналы:

• 0 — 70 мВ (термопары);

• 0 — 300 Ом (термометры сопротивления);

• -10 — 0 — +10 или ~0 — 2 В (датчик с дифтрансформаторным и индуктивным выходом, дифманометры и манометры)

Термометры обеспечивают нелинейную зависимость между температурой и милливольтами на выходе. Медные термометры сопротивления обеспечивают линейную зависимость между температурой и сопротивлением. Платиновые ТПС обеспечивают практически линейную зависимость между температурой и сопротивлением. Дифманометры используются измерения перепада давления на сужающем устройстве (диафрагме) при измерении расхода. Перепад давления – косвенный показатель расхода среды, при этом расход пропорционален квадратному корню из перепада ( ). Манометры используют для измерения избыточного давления, разряжения и абсолютного давления. Избыточное давление – разность между абсолютным давлением и атмосферным. Разряжение представляет собой разность между атмосферным и абсолютным давлением. Часто говорят просто “давление”, указывая или “+” или “-”. Дифманометры могут быть использованы для измерения избыточного давления и разряжения, при этом их минусовая камера должна быть открыта в атмосферу (для избыточного давления) или плюсовая (для разряжения).

Соотношение между разными единицами измерения давления и перепада:

1атм. = 10м.в.ст.=10000мм.в.ст.=0,1Мпа=100кПа=1кг/см²

1мм.в.с=1кг/м²=10Па, 1Па=1Н/м²

Нормирующие преобразователи выполняет нормализацию сигнала и его первичную обработку. Нормализация — преобразование неунифицированного сигнала от датчика в унифицированный электрический сигнал (0—5мА, 0—20мА, 4—20мА, 0—10В). Для передачи на большие расстояния используется токовый сигнал (до нескольких километров). Сигнал по напряжению используется только в пределах центральной части системы (до нескольких десятков метров). Первичная обработка — линеаризация и масштабирование сигналов. Линеаризация — обеспечение линейной зависимости между цифровым сигналом и измеряемым параметром. Нелинеаризируются системы от манометров и медного ТПС. Линеаризируются системы от термопар и дифманометров (при измерении расхода). В последнем случае линеаризация заключается в извлечении квадратного корня из перепада. Такая линеаризация осуществляется так называемым квадратором или блоком извлечения корня БИК.

Гальванический разделитель обеспечивает кондуктивную развязку (разделение общих точек) нормирующего преобразователя и регулятора или показывающего прибора. Часто датчик, НП и ГР выполнен в едином корпусе.

Ниже приведены разные варианты структурных схем измерительных каналов АСР. Даже если измеряется один параметр, измерительных каналов может быть несколько.

а) Измерительный канал (ИК) с выходом на показывающий прибор;

б) ИК с выходом на регистрирующий прибор;

в) ИК с выходом на манометр. АЦП в данном случае осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой;

г) ИК с выходом на ПП или РП и с промежуточным преобразованием в вычислительном устройстве. ЦАП преобразует цифровой код в унифицированный сигнал;

д) ИК с выходом на регулятор;

е) ИК с выходом на регулятор. В этом случае промежуточный блок регулятора позволяет подключить естественный сигнал.

Современные АЦП — тринадцатиразрядные. Тринадцатый разряд используется как знаковый, а двенадцать разрядов (с 0 до 11) значащие. Минимальное число на входе АЦП — 0, а максимальное определяется формулой 2ⁿ-1, где n — число значащих разрядов. Для 12-х разрядного АЦП — 4095. Вместе с тем говорят, что АЦП дает 4096 дискрет (от 0 до 4095).

Различают относительную и абсолютную погрешность D и e. Абсолютная ошибка измеряется в тех же единицах, что и сам параметр. Относительная погрешность представляет собой отношение абсолютной погрешности к центральному нормирующему значению. Если в качестве нормирующего значения принять диапазон измерения, то такая погрешность называется приведенной или классом точности.

, %

Xmax, Xmin — верхняя и нижняя граница диапазона измерения.

Класс точности приборов выбирается из ряда: 0,2; 0,25; 0,5; 1,0; 1,25; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0.

Результат измерения записывается в следующем виде:

где X₀ — показание прибора.

Для средств измерения класс точности представляет собой предел основной допустимой погрешности измерения. Термин предел имеет среднематематический характер и указывает на то, что с вероятность 0,999 все случайные отклонения измеряемой величины укладываются в диапазон (диапазон для абсолютной погрешности) относительно показаниям прибора.

Термин основная указывает на то, что класс точности нормирует погрешность для нормальных условий эксплуатации (т.е. когда удовлетворяют требования к температуре, влажности, давлению и требования к питанию приборов). Если указанные технические требования не выполняются, появляется дополнительная погрешность и суммарная погрешность превышает класс точности прибора.

Абсолютная или относительная погрешность всего ИК состоящую из n элементов определяют по формулам:

Погрешность канала равна среднегеометрической (среднеквадратичной) величине из погрешностей отдельных элементов.

Следует различать ошибку наблюдения и ошибку измерения. Под ошибкой наблюдения понимают погрешность индивидуального (однородного) измерения. Под ошибкой измерения понимают погрешность многократных измерений параметра. На практике часто эти понятия не различают, и говорят об ошибках измерения, имеют в виду именно ошибки наблюдения. Различия между этими понятиями принципиальны. Ошибки наблюдения (индивидуального измерения) определяется классом точности прибора. Ошибка измерения (многократного измерения) определяется по формуле , где к — число измерений. Таким образом при многократном измерении даже на низкоточном приборе, можно получить высокую точность измерения.