Общие сведения
Последние десятилетия характеризуются широким внедрением цифровых микропроцессорных вторичных приборов и преобразователей в практику теплотехнических измерений. В значительной мере это определяется распространением в энергетике, химической, металлургической и других отраслях промышленности микропроцессорных систем управления таких, как ПТК «Квинт», «Телеперм», «Теплоник», «Саргон» и др. Появились распределенные информационные системы сбора информации о потреблении энергии, воды, газа и других энергоносителей. К таким системам предъявляются повышенные требования по помехозащищенности, надежности, защите от несанкционированного доступа. Измерительные каналы от первичных средств измерения до удаленных показывающих и регистрирующих приборов включают много дополнительных устройств передачи и преобразования информации, которые оказывают то или иное влияние на ее качество. К числу таких устройств, входящих во вторичные цифровые измерительные устройства и системы, относят аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, мультиплексоры, блоки цифровой индикации, дисплеи, модемы, адаптеры, проводные и беспроводные линии связи и другие элементы.
Цифровые измерительные приборы по сравнению с аналоговыми обладают следующими преимуществами: автоматическим процессом измерения, малыми габаритами, удобством включения в цифровые информационные и управляющие системы, использованием универсальной элементной базы, индикацией сигналов в цифровой форме и пр. Элементы цифровых измерительных приборов работают в импульсном режиме, характеризуемым наличием двух состояний, резко отличающихся уровнем напряжений, что обеспечи-
вает их различимость и высокую помехоустойчивость приборов. Последнее имеет место при использовании кабелей с заданными характеристиками, гарантирующими сохранение четкой различимости уровней квантования, что исключает возможность потери информации.
Рис. 8.1. Дискретизация но времени и квантование по уровню непрерывной измеряемой величины
Преобразование аналоговой информации в цифровой код Хд(t) сопровождается временной дискретизацией непрерывной величины X(t) и ее квантованием по уровню. Эти операции иллюст-
рирует график, представленный на рис. 8.1. При временной дискретизации непрерывная величина заменяется совокупностью мгновенных значений, остающихся постоянными в течение шага дискретизации . Процесс квантования заключается в замене непрерывной измеряемой величины ступенчатой с фиксированными уровнями.
Оба преобразования связаны с появлением погрешностей квантования и дискретизации. Первая погрешность связана с измерением нестационарных величин. Она не превысит половины шага квантования µ при замене в момент измерения величины X(t) ближайшим дискретным значением. Однако, как видно из графика на рис. 8.1, в пределах шага дискретизации эта погрешность может значительно превышать /2, если частота дискретизации сигнала не согласована с частотами изменения измеряемого сигнала. В соответствии с теоремой Котельникова аналоговый сигнал в области рабочих частот 0 ––fгр может быть восстановлен, если частота дискретизации вдвое превышает fгр Погрешность квантования определяется шагом квантования µ, зависящим от разрядности аналого-цифрового преобразователя. При замене в момент измерения непрерывной величины одним из ближайших соседних дискретных значений измеряемая величина может иметь любое значение в пределах половины шага квантования µ. В связи с этим погрешность преобразования считают случайной, распределенной равномерно в интервале ± /2
С = /( ).
Структура цифровых измерительных приборов и преобразователей
Подобно аналоговым вторичные цифровые приборы могут быть показывающими, показывающими и регистрирующими. В обоих случаях они могут выполнять дополнительные функции по сигнализации отклонений измеряемой величины, ее регулированию, преобразованию в токовый или цифровой выходные сигналы. К числу показывающих цифровых приборов относятся устройства многоканальной сигнализации УМС, которые осуществляют циклический контроль температуры в 16 точках. Приборы работают с платиновыми и медными термопреобразователями сопротивления. На дисплее прибора высвечиваются номер контролируемой точки и значение измеряемой температуры в цифровой форме, результаты сравнения измеряемых температур с уставками трехпозиционной сигнализации: «Мало», «Норма», «Много». УМС также преобразуют значение измеряемой температуры в унифицированный токовый сигнал 0...5 мА, производя линеаризацию градуировочной характеристики термопреобразователей. Диапазоны измерения составляют 0...200 °С и 0...800 °С, последний диапазон используется при работе с термопреобразователями градуировок 50П и 100П. Основная приведенная погрешность по показаниям и преобразованию составляет ±0,5%, по сигнализации ±0,6%. Время цикла автоматического опроса не превышает 60 с, возможен опрос в неавтоматическом режиме.
Структурная схема УМС представлена на рис. 8.2. Термопреобразователи сопротивления ТС подключены к прибору по трехпроводной схеме и питаются стабилизированным током. Коммутатор поочередно подключает термопреобразователи к измерительному усилителю ИУ и аналого-цифровому преобразователю АЦП. На дисплее прибора высвечивается цифровое значение температуры ЦИ и технологическая информация ТИ о срабатывании устройства сигнализации УСг. Цифроаналоговый преобразователь ЦАП создает на выходе прибора унифицированные токовые сигналы 0...5 мА, пропорциональные значениям каждой из измеряемых температур.
Структура микропроцессорных цифровых регистрирующих приборов существенно сложнее структуры рассмотренного прибора. Это связано с их более широкими функциональными возможностями. Так, «Метран-900», структурная схема которого представлена на рис. 8.3, состоит из двух блоков: коммутации и цифровой регистра-
Рис. 8.3. Структурная схема цифрового прибора «Метран-900»
ции. К блоку коммутации может подключаться до 12 первичных преобразователей: термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических, с унифицированным выходным сигналом и сигналом взаимной индуктивности. На рис. 8.3 показаны варианты подключения термопреобразователей сопротивления по четырехпроводной и
Для коммутации входных сигналов используется мультиплексор (Ком), который осуществляет поочередное подключение сигналов первичных преобразователей к шестнадцатиразрядному аналого-цифровому преобразователю. Цифровой сигнал с выхода АЦП поступает на сигнальный процессор с тактовой частотой 16 МГц, создаваемой внутренним импульсным генератором. К процессору подключено внешнее постоянное запоминающее устройство ПЗУ и микросхема MRS, обеспечивающая передачу информации по интерфейсу RS-485 на регистратор. Блок коммутации по каждому каналу имеет цифровой фильтр, в блоке производятся такие операции как линеаризация сигналов, их масштабирование, извлечение квадратного корня и др. Настройка каналов коммутатора производится с помощью переносного пульта управления, подключаемого к специальному разъему. Блок коммутации может использоваться как самостоятельное устройство для преобразования аналоговых сигналов первичных преобразователей в цифровой код. Регистратор может находиться на расстоянии до 1500 м от блока коммутации, размещаемого вблизи первичных преобразователей. Такая техническая реализация «Метран-900» обеспечивает существенное снижение расхода проводов, поскольку от коммутатора к регистратору идет только одна витая пара.
Регистратор «Метран-900» высвечивает информацию на жидкокристаллическом дисплее (рис. 8.4, а), производит ее запись и хранение в энергонезависимой памяти в течение 33 суток, выводит данные за требуемый интервал времени на дисплей (рис. 8.4, б), имеет для печати вывод в интерфейсе RS-232 или RS-485, выдает сигнал аварийной сигнализации. Периодичность регистрации может назначаться оператором в пределах от 5 до 48 с. Предел приведенной погрешности «Метран-900» при измерении токового сигнала составляет ±0,1; ±0,2%, сигнала взаимной индуктивности ±1%, сопротивления термопреобразователя ±0,1 %, сигнала термопары в зависимости от диапазона измерения от ± 1 СС (-270...400 °С) до±5 °С(0...2500°С).
Рис. 8.4. Изображения на экране регистратора «Метран-900» в режиме индикации текущих значений (а) и в режиме хронологии изменений величины в течение часа (б)
В «Технографах 160» результаты измерений представляются и регистрируются на диаграмме в аналоговом или цифровом виде. Эти приборы, так же как и «Метран-900», могут работать с термопреобразователями сопротивления и термоэлектрическими преобразователями с унифицированными сигналами по постоянному току и напряжению. «Технограф 160» имеет 12 измерительных каналов. Эти приборы обеспечивают:
индикацию измеряемой величины на цифровом табло;
аналоговую и цифровую регистрацию измеряемого параметра на диаграммной ленте в циклическом режиме;
преобразование входного сигнала в цифровой код для обмена по интерфейсу RS-232;
сигнализацию о выходе измеряемой величины за пределы заданных значений;
извлечение корня квадратного и суммирование при измерении расхода по перепаду давления на сужающем устройстве.
Термопреобразователь сопротивления, через который протекает стабилизированный ток до 5 мА, подключен к вторичному прибору по четырехпроводной схеме (рис. 8.5). Подключение термопар производится термоэлектродными удлиняющими проводами. Коммутатор на герконовых реле Ком с частотой 1 Гц подает сигналы на нормирующий усилитель УНор, который обеспечивает на выходе сигнал 1 В на диапазон измерения. После аналого-цифрового преобразователя АЦП двойного интегрирования цифровой сигнал поступает на микропроцессор МП. Его интерфейс включает блок цифровой индикации БЦИ, цифроаналоговый преобразователь ЦАП с блоком аналоговой и цифровой регистрации БР, модем RS-232 и устройство сигнализации отклонений УСг типа «сухой контакт». Управление работой всех элементов и ее синхронизацию выполняет блок импульсного управления, не показанный на схеме. Предел основной приведенной погрешности по показаниям и цифровой регистрации составляет ± 0,25 %, по аналоговой регистрации и сигнализации ±0,5 %. Цикл измерения по всем каналам не превышает 12 с, цикл регистрации устанавливается с помощью клавиатуры от 10 до 600 с.
В микропроцессорных системах управления технологическими процессами и промышленными объектами большое место занимают распределенные системы сбора данных, в которых территориально
распределенные устройства преобразуют аналоговую информацию о параметрах технологических процессов: температуре, давлении, расходе, уровне, составе газов и растворов в цифровой код. К числу таких преобразователей относится рассмотренный коммутатор «Метран-300».
Широкие возможности для сбора и обработки информации представляют устройства серии ADAM-5000 фирмы ADVANTECH. Эти устройства входят в распределенную систему преобразователей на базе интерфейсов Ethernet или RS-485 и осуществляют ввод и вывод аналоговых и дискретных сигналов, их первичное преобразование. По команде от удаленной вычислительной машины информация передается в ее адрес с использованием упомянутых интерфейсов. Скорость передачи информации достигает 115 кбод. В корпусе одного устройства находятся процессор, кросс-плата и модули ввода-вывода, число которых может составлять 4 или 8. В последнем случае общее число каналов ввода-вывода может достигать 128, максимальная длина линии без повторителя равна 100 м. В состав модулей ввода-вывода входят модули для подключения ТС с диапазоном измерения от -100 до 600 °С; ТЭП с диапазоном измерения от -100 до 1800 °С и аналоговых сигналов. Погрешность преобразования не превышает 0,1 %, частота выборки составляет 10 Гц. Для построения распределенных систем сбора данных той же фирмой выпускаются компактные модули ADAM-4000. Эти модули имеют встроенный микропроцессор и 16-разрядный АЦП, прием и передача цифровых сигналов осуществляется по интерфейсу RS-485. Модули серии ADAM 6000 имеют встроенную web-страницу, что позволяет их интегрировать в сеть Internet.