Засоби повірки вторинних пристроїв контактної термометрії на основі активних імітаторів опору

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет "Львівська політехніка"

УДК 621. 317.727

ЗАСОБИ ПОВІРКИ ВТОРИННИХ ПРИСТРОЇВ КОНТАКТНОЇ ТЕРМОМЕТРІЇ НА ОСНОВІ АКТИВНИХ ІМІТАТОРІВ ОПОРУ

Спеціальність 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Микийчук Микола Миколайович

Львів - 1998

АНОТАЦІЯ

Микийчук М.М. Засоби повірки вторинних пристроїв контактної термометрії на основі активних імітаторів опору. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин. - Державний університет "Львівська політехніка", Львів, 1998.

Дисертація присвячена створенню калібраторів для повірки вторинних засобів вимірювання температури. Запропоновано шляхи побудови ефективних термометричних калібраторів на основі активних імітаторів опору. Створено інженерну методику аналізу та синтезу структур калібраторів електричних величин. Створено ряд пристроїв автоматизованої повірки засобів вимірювання температури.

Ключові слова: температура, автоматизація, калібратор, повірка, активний імітатор, корекція похибки.

калібратор імітатор температура термометричний

ABSTRACT

Mykyjchuk M.M. The means for checking secondary temperature measurement devices based on the active resistance imitators. - Manuscript.

Dissertation for obtaining degree candidate ot technical science - specialization 05.11.04 - Instruments and methods for temperature measurement equipments. - State University "Lvivska Politechnica", Lviv, 1998.

The design of calibrators for checking secondary temperature measurement devices is described in this dissertation.

The ways of constructing effective temperature measurement calibrators based on the active resistance imitators are proposed. An engineer method of the analisis and synthesis for electrical value calibrator structures was created. The row of devices for automatical checking of the temperature measurement means was designed.

Key words: temperature, automatization, calibrator, verifycation active imitator, error correction.

АННОТАЦИЯ

Микийчук Н.Н. Средства поверки вторичных устройств контактной термометрии на основе активных имитаторов сопротивления. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения тепловых величин. - Государственный университет "Львовская политехника", Львов, 1998.

Диссертация посвящена созданию калибраторов для поверки вторичных средств измерения температуры. Важным условием обеспечения высокой надежности промышленных средств измерения есть эффективное метрологическое обеспечение, основу которого составляют образцовые средства поверки. Основную массу промышленных средств измерений составляют термометрические приборы измеряющие выходные сигналы контактных первичных преобразователей температуры. Поверка термометрических приборов имеет свою специфику. Во-первых, диапазоны средств измерения температуры и образцовых средств поверки плохо сопряжены, в результате необходимо использовать калибраторы со значительной метрологической избыточностью. Во-вторых, при поверке промышленных средств измерений необходимо определять ряд дополнительных метрологических параметров не свойственных другим приборам. Массовость термометрических приборов, специфика их поверки, а также повышение требований к надежности их функционирования требует создания современных специализированных калибраторов предназначенных для поверки промышленных термометрических приборов в условиях их эксплуатации. При этом к термометрическим калибраторам ставятся такие требования, как универсальность, то есть обеспечение поверки основной масы промышленных средств измерения температуры, а также кодоуправляемость, что обеспечит возможность автоматизации процесса поверки. Поскольку промышленные средства измерения температуры, как правило, работают в технологических линиях производства, то необходимо обеспечить возможность бездемонтажной поверки в условиях эксплуатации.

Анализ показал, что реализация на современной элементной базе функций измерения и воспроизведения напряжения и тока не составляет особых проблем. Основная проблема, при создания атоматизированных образцовых средств, состоит в трудности создания низкоомных кодоуправляемых мер сопротивления с метрологическими характеристиками удовлетворяющими требованиям поверки современных средств измерения выходных сигналов термопреобразователей сопротивления.

Наиболее перспективным путем создания калибраторов выходных сигналов термопреобразователей сопротивления в диапазоне -200 С...+1100 С, есть использование структур активных имитаторов сопротивления. Для построения низкоомных мер сопротивления наиболее подходящими являются активные имитаторы сопротивления с масштабированием компенсирующего напряжения и состоящие из последовательного соединения образцового резистора и управляемого источника напряжения.

Оптимизация структур активных имитаторов показала, что минимальных требований к параметрам используемых элементов можно достигнуть реализовав функцию преобразования: Rім=(1K(N))R0, где K=Rt/R0 , (N) - коэффициент деления кодоуправляемого делителя напряжения, Rt - сопротивление термопреобразователя сопротивления при определенной температуре; R0 - значение образцового резистора равное сопротивлению термопреобразователя сопротивления соответствующей градуировки при 0 С. Расчеты показывают, что использование, для построения калибраторов выходных сигналов термопреобразователей сопротивления, оптимальных структур активных имитаторов позволяют уменьшить требования к погрешности кодоуправляемого делителя напряжения в 5 раз, а к погрешности образцового резистора в 4 раза.

Рассмотрены пути построения эффективных термометрических калибраторов на основе активных имитаторов сопротивления. Предложено инженерную методику анализа и синтеза структур калибраторов электрических величин. Разработаны эффективные схемы и алгоритмы коррекции погрешностей калибратора обусловленные паразитными параметрами его элементов, а также влиянием условий эксплуатации. Созданы, исследованы и внедрены в промышленную эксплуатацию ряд устройств автоматизированной поверки средств измерения температуры.

Ключевые слова: температура, автоматизация, калибратор, поверка, активный имитатор, коррекция погрешности.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Температура є основним інформативним параметром більшості технологічних процесів в промисловості. Найбільшого розповсюдження для вимірювань температури дістали контактні методи, з використанням стандартних термоелектричних перетворювачів (ТП), термоперетворювачів опору (ТО) та вторинних засобів вимірювання температури (ВЗВТ).

Автоматизація технологічних процесів зумовила: по-перше, збільшення кількості ВЗВТ внаслідок збільшення об'ємів вимірювань температури, по-друге, розширення функціональних можливостей промислових ЗВ внаслідок необхідності вимірювань інших технологічних параметрів, наприклад уніфікованих сигналів, а також сигналізації та регулювання значень цих параметрів, по-третє, підвищення вимог до надійності функціонування ВЗВТ внаслідок зростання їх впливу на результати контрольованого процесу.

Важливим фактором забезпечення високої надійності промислових ЗВ є ефективне метрологічне забезпечення, основу якого складають зразкові засоби повірки (ЗЗП). В останні роки, поряд з вдосконаленням ВЗВТ, все помітнішою стає неефективність існуючих зразкових засобів зумовлена специфікою повірки промислових ВЗВТ. По-перше метрологічні характеристики ВЗВТ та зразкових засобів повірки не є оптимально погоджені, що вимагає використання калібраторів зі значною метрологічною надлишковістю. По-друге при їх повірці необхідно визначати ряд додаткових метрологічних параметрів не властивих іншим ЗВ (похибки аналогових та сигналізуючих виходів, похибка схеми компенсації температури вільних кінців ТП, вимірювання опорів ліній зв'язку з первинним перетворювачем), що зумовлює необхідність використання під час повірки кількох зразкових засобів. По-третє, демонтаж промислових ВЗВТ спряжений зі значними матеріальними затратами, тому важливим є забезпечення можливості контролю їх метрологічних характеристик на місці експлуатації, що здійснити існуючими зразковими засобами в багатьох випадках неможливо. На сьогоднішній день все гостріше відчувається нестача продуктивних ЗЗП з високою стабільністю метрологічних характеристик в широкому діапазоні температур за допомогою якого можна здійснювати метрологічну повірку на місці експлуатації ВЗВТ.

Таким чином, задача створення сучасних зразкових засобів - термометричних калібраторів (ТК), для повірки ВЗВТ, як у промислових умовах, так і в умовах повірочних лабораторій є актуальною науково-технічною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася в рамках "Галузевої комплексної програми метрологічного забезпечення ІВС, АСУ ТП, ГСП в галузях народного господарства на 1986-1990рр." та "Комплексної програми науково-технічного прогресу країн - членів РЕВ до 2000 року".

Метою дисертаційної роботи є створення калібраторів, що за комплексом своїх метрологічних характеристик та функціональних можливостей відповідали б вимогам до зразкових засобів для повірки промислових вторинних засобів вимірювання температури в умовах їх експлуатації.

В роботі поставлені та вирішені наступні завдання:

- аналіз метрологічних характеристик ВЗВТ, операцій і умов повірки та систематизація вимог до метрологічних характеристик та функціональних можливостей зразкових засобів;

- аналіз метрологічних характеристик та функціональних можливостей існуючих ЗЗП, факторів, що їх визначають і вибір критерію оптимізації термометричного калібратора;

- аналіз та узагальнення властивостей відомих схем активних імітаторів опору (АІО), синтез АІО метрологічні характеристики якого оптимально погоджені з вимогами до ЗЗП ВЗВТ;

- синтез ТК на основі функціональних вузлів з мінімальною метрологічною надлишковістю;

- розробка структурно-алгоритмічних методів мінімізації похибок ТК як засобу підвищення його метрологічної надійності;

- розробка схем термометричних калібраторів, дослідження їх характеристик та впровадження у виробництво.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на використанні основних положень теорії вимірювань, методів синтезу оптимальних схем ЗВ, структурно-алгоритмічних методів підвищення точності, теорії похибок, теорії лінійних електричних кіл. Правильність теоретичних досліджень підтверджена шляхом фізичного макетування та експериментальних досліджень діючих зразків, а також при моделюванні на ЕОМ.

Наукова новизна роботи:

- на основі аналізу та узагальнення характеристик АІО показано доцільність побудови ТК на основі АІО з компенсуючою напругою;

- показано, що оптимальне погодження метрологічних характеристик ВЗВТ і засобів їх повірки можливе в АІО, що реалізує функцію перетворення: Rim=(1K)R0 та синтезовано його структуру;

- синтезовано структуру ТК, що вимагає мінімальної метрологічної та структурної надлишковості;

- виділено основні функціональні вузли ТК та проведено їх оптимізацію;

- визначено джерела основних похибок та показано шляхи мінімізації їх впливу;

- показано доцільність використання прогнозування похибок ТК для підвищення його метрологічної надійності.

Практична цінність роботи полягає в наступному:

- визначено комплекс метрологічних характеристик та функціональних можливостей сучасного калібратора для повірки промислових ЗВ в умовах експлуатації;

- в результаті оптимізації структури ТК розроблено схему калібратора, який містить мінімальну кількість елементів при мінімальних вимогах до їх параметрів;

- отримано залежності похибок термометричного калібратора від характеристик його елементів, які дозволяють ефективно здійснювати вибір елементної бази;

- сформульовані вимоги до елементної бази функціональних вузлів ТК;

- запропоновано схеми і алгоритми корекції та методика прогнозування похибок ТК;

- створено інженерну методику погодження та оптимізації параметрів вузлів калібратора, що дозволяє проектувати прості та надійні в експлуатації зразкові засоби повірки для промислового застосування;

- розроблено багатофункціональні калібратори та проведено їх експериментальні дослідження.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Результати роботи використані в ряді практичних розробок, здійснених автором при виконанні госпдоговірних робіт в дослідно-конструкторському бюро вимірювальних систем, ПКО"Політехніка", ДУ "Львівська політехніка".

На основі досліджень, виконаних в дисертації, розроблено: кодокеровану багатозначну міру електричного опору І883 (2 шт.) впроваджену в Кишинівському НДІ приладобудування; спеціалізовану програмнокеровану міру опору, напруги та струму МК-1019 (3 шт.) для повірки автоматичних приладів РП-160, впроваджену у відділі технічного контролю ВО "Львівприлад"; цифро-аналоговий перетворювач опору в стандарті КАМАК МС-1030 (2 шт.) впроваджену в Кишинівському центрі стандартизації та метрології; автоматизований комплекс МК-979 (2 шт.) для повірки цифрових вимірювачів температури, впроваджено у ВО "Моторостроитель" (м.Пермь); автоматизований комплекс МК-1093 (5 шт.) для повірки цифрових вимірювачів температури типів А565, А566, ЦР7701, ЦР7702, впроваджено на приладобудівному заводі ВАТ "Мукачівприлад".

Дослідження калібраторів МС-1030 та автоматизованих комплексів МК-979, МК-1093 на патентну чистоту і технічний рівень, проведені Кишинівським центром патентних послуг, показали, що ці прилади схемно патентно чисті по всіх провідних країнах та відповідають сучасному технічному рівню світової вимірювальної техніки.

Особистий внесок автора Основна частина теоретичних та практичних досліджень, а також формулювання основних положень та висновків виконані автором самостійно. Окремі дослідження здійснювались у співавторстві відповідно до наведеного списку літератури.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались та обговорювалися на 4 міжнародних науково-технічних конференціях.

Публікації. За результатами виконаних досліджень і розробок опубліковано 15 друкованих праць з них 3 авторські свідоцтва та 1 патент.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота містить 150 сторінок машинописного тексту і складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел з 106 найменувань та додатків. Робота має 48 рисунків, 18 таблиць.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та напрямки досліджень, наведена наукова новизна та основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі проаналізовано принципи побудови термометричних калібраторів.

Аналіз парку промислових ВЗВТ показав, що, хоча по функціональному призначенню вони відносяться до різних груп ЗВ (перетворювачі, прилади, системи), в більшості випадків вимірюють обмежену кількість інформативних параметрів: вихідні сигнали первинних термоперетворювачів та уніфіковані сигнали.

Повірка промислових ВЗВТ має певну специфіку. По-перше, діапазони вхідних сигналів ВЗВТ не адаптовані до діапазонів відтворення існуючих калібраторів, а тому потрібно використовувати зразкові засоби зі значним метрологічним запасом. По-друге, при повірці ВЗВТ необхідно визначати ряд додаткових параметрів не властивих іншим ЗВ: похибки аналогових та сигналізуючих виходів, похибку схеми компенсації температури вільних кінців ТП, опори ліній зв'язку з ТО. Оскільки, ВЗВТ використовуються в технологічних лініях виробництва і їх демонтаж спряжений зі значними матеріальними затратами, то важливим є забезпечення можливості їх повірки на місці встановлення під час планових зупинок технологічних процесів.

Масовість застосування в промисловості ВЗВТ та специфіка їх повірки вимагає створення спеціалізованих зразкових засобів - термометричних калібраторів, орієнтованих на повірку цього класу ЗВ. При цьому до ТК ставляться такі вимоги, як універсальність, тобто можливість повірки основної маси існуючих ВЗВТ та кодокерованість, що забезпечує можливість автоматизації процесу повірки. Бездемонтажна повірка в умовах експлуатації дозволить різко зменшити ймовірність експлуатації метрологічно несправного ВЗВТ, тому ТК повинен забезпечувати свої метрологічні характеристики тривалий час та у широкому діапазоні температур.

Аналіз характеристик зразкових засобів, які використовуються для повірки ВЗВТ показав, що вони не відповідають сучасним вимогам з багатьох причин. По-перше, відсутнє оптимальне погодження метрологічних характеристик калібраторів та ВЗВТ: відтворення напруги здійснюється молодшими розрядами калібратора, що вимагає значного запасу по точності, недостатня дискретність відтворення опору в діапазоні зміни опорів ТО. По-друге, обмежені функціональні можливості: неможливість одночасного відтворення і вимірювання, відсутність функції відтворення вихідних сигналів термоперетворювачів опору, як правило, ручне керування. Існуючі калібратори внаслідок низької надійності (велика кількість механічних контактів, відсутність самодіагностики) та громіздкості є неефективні для здійснення бездемонтажної повірки промислових ЗВ, особливо сучасних цифрових ЗВ.

Багатоваріантність шляхів побудови термометричних калібраторів вимагає оптимізації його структури. В роботі показано, що ефективність зразкових засобів краще оцінювати згідно критерію "метрологічної ефективності", суть якого полягає в забезпеченні потрібних метрологічних характеристик при мінімальних затратах на їх досягнення. Кількісний показник якості ТК, згідно вибраного критерію можна виразити :

,(1)

де Аі, Ві, р - константи, які визначаються по кривій залежності затрат на досягнення потрібної елементарної похибки С=f(i); i - елементарна похибка елемента ТК; ai - коефіцієнт впливу елементарної похибки на сумарну похибку ТК.

Враховуючи велику кількість комбінацій, які виникають при синтезі ТК, оптимізацію його схеми найкраще здійснити в два етапи: глобальна - оптимізація структури ТК в цілому, локальна - оптимізація схем окремих функціональних вузлів. Показано, що структура термометричного калібратора повинна містити: кодокеровану міру опору, напруги та струму для відтворення вхідних інформативних параметрів ВЗВТ, багатофункціональний АЦП для вимірювання вихідних параметрів повірюваних ЗВ, внутрішніх параметрів ТК та зовнішніх впливаючих факторів, а також інтелектуальний контролер для організації гнучкого алгоритму функціонування ТК, зручного інтерфейсу з оператором, запам'ятовування та зберігання результатів повірок.

Аналіз технічних рішень, що покладені в основу схем існуючих засобів повірки показав, що реалізація на сучасній елементній базі функцій відтворення напруги та струму і вимірювань, потрібних при повірці ВЗВТ параметрів, не викликає особливих труднощів. Основні проблеми пов'язані зі складністю створення кодокерованих мір електричного опору з дискретністю менше 0,1 Ом при забезпеченні потрібного для повірки ВЗВТ класу точності. Найбільш перспективним шляхом створення кодокерованих мір для відтворення вихідних сигналів ТО в діапазоні від -200 С до +1100 С, є використання для їх побудови структур АІО, які містять чотири структурні вузли: вхідний перетворювач, масштабний перетворювач та два буферних повторювачі.

Огляд можливих шляхів побудови низькоомних АІО показав, що по приципу відтворення опору їх можна поділити на дві групи: АІО з масштабуванням напруги - АІО-U та АІО з масштабуванням струму - АІО-I. Еквівалентно АІО-U представляє собою послідовне з'єднання зразкового резистора з керованим джерелом напруги, АІО-І це паралельне з'єднання зразкового резистора та керованого джерела струму. По залежності відтворюваного опору від коефіцієнту перетворення керованого подільника напруги (КПН) та значення зразкового резистора всі АІО можна поділити на три групи, функції перетворення яких визначаються наступними виразами:

Rim= Rn, Rim=(1-)Rn, Rim=(1+) Rn , де - коефіцієнт ділення КПН; Rn - опір зразкового резистора.

Основним параметром оптимізації структури АІО вибрано похибку відтворення, оскільки вона найбільше змінює своє значення від часу та умов експлуатації калібратора. Показано, що для забезпечення умов вибраного критерію якості, необхідно мінімізувати вимоги до метрологічних характеристик елементів ТК. Похибка ВЗВТ, що вимірюють сигнали ТО, має специфічну властивість, яка полягає в тому, що вона має мінімальне значення при 0 С, тобто при R0 та зростає, як при зменшенні , так і при збільшенні опору ТО (графік 4 на рис.1).

Існуючі магазини опору та АІО з функцією перетворення Rim= Rn мають розподіл похибки згідно графіка 1, для АІО з функцією перетворення Rim=(1-)Rn похибка обмежена графіком 2. Ці структури, при реалізації на їх основі калібраторів сигналів ТО, не забезпечують основної вимоги до похибки мір опору для повірки ВЗВТ: забезпечення мінімального значення похибки відтворення опору при відтворенні значень опору близьких до R0 та вимагають використання елементів зі значною метрологічною надлишковістю, зокрема 18...20 розрядних КПН та прецизійних резисторів з похибкою підгонки 0,002 .

Найкраще погодження з похибкою ВЗВТ досягається при забезпеченні розподілу похибки калібратора сигналів ТО згідно графіка 3. При цьому значення коефіцієнта при мультиплікативній складовій похибки калібратора сигналів ТО визначається виразами:

Рис.1.Залежність похибки вимірювання сигналів ТО ВЗВТ від опору цього ТО.

, для діапазону 0...R0 (-...0С)(2)

, для діапазону R0...Rtmax (0С...+)(3)

де Rtmin, Rtmax, R0 - значення похибки ВЗВТ, відповідно для мінімального, максимального опору ТО та при опорі ТО рівному R0; R0 - значення опору ТО відповідного градуювання при 0 С, Rtmax - максимальне значення опору ТО, - температура, якій відповідає опір ТО.

Мінімальні вимоги до елементів АІО можна досягнути реалізувавши його функцію перетворення: Rім=(1K(N))R0, де K=Rtmax/R0 , (N) - коефіцієнт ділення КПН при умові, що значення зразкового резистора рівне опору ТО відповідного градуювання при 0 С, N - код керування КПН.

Розрахунки показують, що оптимальне погодження метрологічних характеристик кодокерованої міри опору з метрологічними характеристиками ВЗВТ дозволяє зменшити вимоги до похибок КПН в п'ять, зразкового резистора в чотири рази.

На рис.2. зображено структуру АІО, що реалізує оптимальну, для побудови ТК, функцію перетворення.

У другому розділі синтезовано схему термометричного калібратора на основі активних імітаторів опору та здійснено оптимізацію його функціональних вузлів.

Рис.2.Схема універсального термометричного АІО.

Виявлено та вирішено наступні проблеми, що виникають при синтезі універсального термометричного калібратора:

- для забезпечення можливості відтворення номінальних статичних характеристик різних типів ТО і розширення діапазону відтворюваних опорів до діапазонів існуючих магазинів опору - переключення зразкових резисторів потрібно здійснювати із застосуванням мікроелектронних ключів;

- інтегрування в структуру АІО функцій калібратора напруги та струму з мінімальною структурною надлишковістю;

- у зв'язку з багатофункціональністю калібратора - мінімізація елементів реконфігурації функціональних зв'язків.

- для підвищення метрологічної надійності калібратора - необхідно максимального використовувати, для всіх конфігурацій, наявні в його схемі прецизійні елементи, а також мінімізувати їх кількість.

Рис. 3.Схема універсального термометричного калібратора.

В результаті порівняльного аналізу можливих варіантів синтезовано схему універсального термометричного калібратора (рис.3), який при мінімальних затратах на його реалізацію за комплексом своїх метрологічних характеристик та функціональних можливостей задовільняє вимогам повірки промислових ВЗВТ.

Здійснено оптимізацію схем структурних вузлів калібратора та визначено вимоги до параметрів його елементів. Показано, що для суміщення різних багатозначних мір в одному калібраторі, чого вимагає повірка засобів вимірювання температури, необхідно уніфікувати структурні вузли таким чином, щоб максимально використати їх при виконанні відповідної функції та мінімізувати реконфігурацію зв'язків між структурними вузлами при переході від одного до іншого режиму відтворення. Найкращої уніфікації досягнуто при поділі схеми ТК на три структурні вузли: вхідний перетворювач, масштабний перетворювач та вихідний буфер.

Вхідний перетворювач виконує функцію задання опорних значень відтворюваного сигналу ТК. В режимі відтворення опору це зразкове значення опору, в режимі відтворення струму - зразкове значення напруги та опору струмозадаючого резистора, а в режимі відтворення напруги - зразкове значення напруги. Мінімізація затрат досягається при виконанні вхідного мультирезистора шляхом послідовного з'єднання зразкових резисторів та перемикання значень опору безконтактними ключами. Порівняльний аналіз варіантів реалізації вхідного перетворювача показав, що основна проблема полягає в мінімізації впливу паразитних параметрів комутуючих елементів. Запропонована схема вхідного перетворювача, де всі ключі ввімкнені в коло зворотнього зв'язку операційного підсилювача (ОП) і комутуються тільки струмові кола зразкових резисторів. Скомпенсувати вплив опорів розімкнених - Rp та замкнених - r ключів до знехтувано малих значень можна використовуючи ОП з вхідним опором Rвх29,8 МОм та коефіцієнтом підсилення К0105. Мінімізацію впливу вхідних струмів ОП - іА та струмів витоків ключів - іS можна досягнути вибираючи ОП та комутуючі елементи з іА , іS 0,2 нА.

Запропоновано схему масштабного перетворювача, який має такі елементи: вхідний підсилювач зі змінним коефіцієнтом підсилення - K1, керований інвертор-повторювач, схему комутації і керований подільник напруги та реалізує функцію перетворення:

(4)

Показано, що найкраще з точки зору мінімізації затрат в схемі масштабного перетворювача використовувати резистивні КПН в режимі двоквадрантного перетворення, які володіють найбільш оптимальним для ТК поєднанням параметрів: низькі похибка та ціна при великій розрядності та швидкодії. Для реалізації чотириквадрантного перетворення вхідної напруги найкраще на вході КПН ввімкнути керований інвертор-повторювач. Щоб усунути шунтування мультирезистора вхідним опором КПН та розширити діапазони відтворення опору від 2R0 до 5R0, напруги до 10 В та струму до 100 мА на вході масштабного перетворювача потрібно ввімкнути неінвертуючий підсилювач з коефіцієнтами підсилення K1=1; 4. Реалізація такої схеми масштабного перетворювача дозволяє, зокрема зменшити вимоги до розрядності КПН з 18 до 16 двійкових розрядів. Розроблена схема вихідного буфера, яка при мінімальній кількості елементів забезпечує узгодження вихідних опорів ТК з повірюваним ЗВ.

Знайдено співвідношення між метрологічними характеристиками ТК та параметрами його елементів. Показано, що основними паразитними параметрами, що створюють похибки калібратора є його еквівалентна напруга зміщення зумовлена напругами зміщення, вхідними струмами і струмами витоків активних елементів, а також похибка коефіцієнту перетворення зумовлена похибками КПН, зразкових мір та вихідного подільника напруги. Використання при побудові калібратора елементів з параметрами, які забезпечують потрібне значення похибки, є неефективним внаслідок значної їх ціни. Доцільнішим є використання елементів середньої точності і ціни в комплексі із методами корекції відповідних похибок.

В третьому розділі запропоновано ефективні методи мінімізації похибок ТК.

Показано, що мінімізувати вплив еквівалентної напруги зміщення ТК найкраще структурно-алгоритмічними методами шляхом її періодичної компенсації. При цьому періодична корекція еквівалентної напруги зміщення здійснюється подачею на вхід калібратора нульової тестової дії, вимірюванні напруги зміщення на виході за допомогою наявного в складі калібратора АЦП та введення компенсуючої напруги в коло перетворення. На основі аналізу схем калібратора з еквівалентними джерелами похибок виявлено, для різних режимів роботи, вплив окремих джерел похибок. Визначено вимоги до елементів схеми корекції, зокрема показано, що для вимірювання еквівалентної напруги зміщення достатньо 13-ти розрядного АЦП з діапазоном вимірювання 2,8 мВ та дискретністю 0,5 мкВ. Для введення компенсуючої напруги достатньо 12-ти розрядного ЦАП з двополярним джерелом опорної напруги. Схема виділення та вимірювання еквівалентної напруги зміщення ТК приведена на рис.4.

Рис.4.Схема виділення та вимірювання еквівалентної напруги зміщення ТК.

Відхилення коефіцієнту перетворення калібратора від номінального значення запропоновано мінімізувати алгоритмічними методами шляхом введення поправок при формуванні коду відтворюваного значення. Враховуючи високу стабільність сучасної елементної бази, для здійснення такої корекції необхідно при виготовленні калібратора виміряти та запам'ятати в енергонезалежній пам'яті дійсні значення коефіцієнтів перетворення використаних елементів. Граничні метрологічні характеристики ЗВ для визначення дійсного значення коефіцієнта перетворення наступні: діапазон вимірювання напруги 0...10 В, опору 0...510 Ом, дискретність вимірювання напруги - 1 мкВ, опору - 100 мкОм та похибкою вимірювання напруги - 2 10-5 , опору - 2 10-4 . Повторну операцію визначення дійсного значення коефіцієнту перетворення можна здійснювати при періодичній повірці калібратора.

Розглянуто особливості компенсації часових та температурних дрейфів параметрів елементів Показано, що враховуючи високу стабільність параметрів сучасної елементної бази періодичність корекції необхідно встановлювати в залежності від часу роботи калібратора та навколишньої температури, яку можна вимірювати наявним в складі калібратора АЦП.

Співвідношеня між початковим значенням похибки КО в момент повірки та допустимим значенням Кдоп можна виразити:

. ( 5 )

де Кдоп , КО - допустиме та початкове значення похибки калібратора в момент повірки визначене при нормальних температурних умовах н .

Визначивши для конкретного ТК початкове значення його похибки - КО можна знайти допустимий температурний діапазон експлуатації та період між черговими повірками. Вирази для визначення допустимого значення часового та температурного дрейфів можна представити наступним чином:

. ( 6 )

. ( 7 )

де К/t, К/ - часовий та температурний дрейф похибки калібратора;

t , - вагові коефіцієнти, відповідно часової та температурної складових похибок.

Значення вагових коефіцієнтів вибираються враховуючи вимогу:

. ( 8 )

Запропоновано алгоритми діагностики справності основних елементів ТК без використання додаткових елементів реконфігурації його структури. Це дозволить різко зменшити ймовірність роботи несправного калібратора при повірці ВЗВТ, що в свою чергу дозволить зменшити брак повірки. Показано, що прогнозування температурних та часових дрейфів похибки ТК необхідно здійснювати, відповідно лінійною та експоненційною моделями:

. ( 9 )

. ( 10 )

де v , vt - швидкість зміни температурного дрейфу та часового дрейфу за час експлуатації калібратора;

Четвертий розділ містить аналіз практичних реалізацій результатів теоретичних досліджень.

Значна кількість аналогових вимірювальних приладів і зокрема автоматичних приладів слідкуючого зрівноваження, що експлуатуються в промисловості, наприклад на ВО "Львівприлад" за останні 10 років випущено близько 5 млн. шт., сприяло створенню спеціалізованих програмно-керованих мір опору, напруги та струму МК1019 для автоматизованої повірки цих ЗВ. Створений калібратор має клас точності 0,015 та дозволяє програмно встановлювати значення, опору, напруги та струму в діапазонах та з дискретністю достатньою для повірки всієї гами приладів, що випускаються цим заводом. Використання спеціалізованої міри в складі автоматизованого комплексу повірки дозволило вдвічі підняти швидкість виконання основних операції повірки автоматичних приладів слідкуючого зрівноваження, що значно підвищило її продуктивність та об'єктивність.

Основною умовою здійснення метрологічного супроводження вимірювальних процедур вимірювальних систем є використання програмно-керованих багатозначних мір електричних сигналів конструктивно та інформаційно сумісних з цими системами. Тому для для повірки вимірювальних модулів в стандарті КАМАК необхідно було, дотримуючись жорстких вимог до габаритів, які не повинні перевищувати габаритів шести стандартних модулів, створити прецизійну (клас точності 0,01) та широкодіапазонну (до 108 Ом) міру опору. Оскільки вмістити в такі габарити міру на базі тільки пасивного магазину опору з відповідними комутуючими елементами виявилося неможливим, то ця міра опору була реалізована на базі активного імітатора опору з послідовним ввімкненням пасивного магазину для розширення діапазону в сторону високих опорів. Впровадження цієї міри, крім автоматизації метрологічних процедур в складі системи КАМАК, дозволило підвищити надійність функціонування вимірювальних модулів цієї системи. Доля цифрових вимірювачів температури (ЦВТ), в загальному об'ємі ВЗВТ, є досить значною і з року в рік неухильно збільшується. Характерною відмінністю ЦВТ, від інших ВЗВТ, є їх значна функціональна та метрологічна насиченість: велика кількість вимірювальних каналів, наявність значної кількості вхідних уставок сигналізації та вихідних сигналізуючих і регулюючих елементів, кодові виходи результатів вимірювання, функції вимірювання додаткових фізичних величин, складні алгоритми виконання вимірювань і т.п. Тому метрологічна повірка ЦВТ вимагає значних затрат часу та обладнання, при цьому збільшується можливість суб'єктивної помилки. Особливої гостроти ця проблема набуває при здійсненні вихідного контролю параметрів ЦВТ в умовах їх масового випуску на приладобудівному заводі. Для вирішення проблеми автоматизації повірки ЦВТ, які серійно виготовляються на приладобудівному заводі “Мукачівприлад” в КБ вимірювальних систем ПКО “Політехніка” був розроблений автоматизований комплекс МК1093 для повірки серійних ЦВТ типів А565, А566 та ЦР7701.

В склад автоматизованого комплексу повірки ЦВТ МК1093 крім кодокерованої міри опору, напруги та струму було введено багатофункціональний гальванічно відділений АЦП, який може вимірювати температуру вільних кінців ТП та зовнішню температуру, а також напругу аналогового виходу ВЗВТ. Наявний, в складі комплексу, калібратор відтворює вихідні сигнали всіх стандартних термоперетворювачів, а також основні уніфіковані сигнали. Використання комплексу МК1093 дозволило: за рахунок максимальної автоматизації всіх операцій повірки - зменшити час повірки одного приладу в 6 раз, знизити вимоги до кваліфікації оператора та підвищив об'єктивність результатів повірки використавши діалоговий режим процедури повірки.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу технічних характеристик та умов застосування сучасних ВЗВТ сформульовано вимоги до метрологічних характеристик та функціональних можливостей засобів повірки, що придатні для бездемонтажного контролю метрологічних параметрів промислових ВЗВТ в умовах експлуатації.

2. Аналіз методу активної імітації електричного опору та відомих схем його реалізації показав, що для забезпечення універсальності термометричного калібратора оптимальною є структура з масштабуванням компенсуючої напруги, оскільки вона містить всі потрібні функціональні вузли для реалізації калібраторів напруги та струму.

3. В результаті оптимізації структури ТК показано, що найкраще погодження метрологічних характеристик ВЗВТ і ТК відбувається при його побудові на основі АІО в якого встановлено значення зразкового резистора рівне значенню R0 відповідного типу ТО та реалізації функції перетворення виду: Rim=(1K )R0 , що дозволяє, порівняно з відомими АІО, зменшити вимоги до похибки підгонки зразкового резистора в чотири рази та знизити розрядність масштабного перетворювача до 16-ти двійкових розрядів.

4. Оптимізація структури масштабного перетворювача показала, що використання запропонованої схеми чотириквадрантного ЦАП напруги з керованим інвертором-повторювачем вхідної напруги дозволяє зменшити в п'ять раз вимоги до похибки ЦАП напруги.

5. В результаті оптимізації схем функціональних вузлів універсального термометричного калібратора синтезовано його структуру, котра для своєї реалізації не вимагає значних апаратних затрат при мінімальних вимогах до метрологічних характеристик складових частин.

6. Аналіз неінформативних параметрів універсального калібратора показав доцільність періодичної структурно-алгоритмічної корекції похибки зумовленої еквівалентними напругами зміщення активних елементів і алгоритмічної корекції похибок зумовлених відхиленням від номінального значення і нестабільністю зразкових елементів та масштабних перетворювачів.

7. Показано доцільність підвищення метрологічної надійності калібратора шляхом контролю і прогнозування зміни неінформативних параметрів від температури і часу та використання результатів прогнозу для мінімізації похибок і діагностики працездатності.

8. Сформульовано вимоги до параметрів основних вузлів термометричного калібратора і показано можливість його реалізації на дешевій елементній базі.

9. Основні результати роботи апробовано та підтверджено у розроблених та впроваджених калібраторах.

калібратор імітатор температура термометричний

РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИСВІТЛЕНІ В НАУКОВИХ ПРАЦЯХ

1. Микийчук М.М., Огірко Р.М. Особливості побудови калібраторів для перевірки засобів вимірювання і контролю параметрів технологічних процесів.// Автоматика, вимірювання та керування. Вісник Державного університету "Львівська політехніка". - 1998. - №348. - С. 23- 29.

2.. Микийчук М.М., Огірко Р.М. Шляхи побудови багатозначних мір опору для перевірки теплотехнічних засобів вимірювань.// Автоматика, вимірювання та керування. Вісник Державного університету "Львівська політехніка". - 1998. - №348. - С. 42- 48.

3. А.с. №1449929 (СССР). МКИ G01 R27/00. Магазин сопротивления. / Булыга С.Г., Пацарнюк Я.В., Микийчук Н.Н. - №4097027/24-09; Заявлено 20.05.86; Опубл. в БИ, 1989, №1.

4. А.с. 1566302 (СССР). МКИ G01 R27/00 Магазин сопротивления / Булыга С.Г., Микийчук Н.Н., Пацарнюк Я.В., Шморгун Е.И. - Заявлено №4331657/24-09; 20.11.87; Опубл. в БИ, 1990, №19.

5. А.с. 1658102 (СССР). МКИ G01 R27/00 Магазин сопротивления / Микийчук Н.Н., Пацарнюк Я.В., Шморгун Е.И., Яцук В.А. - №4464218/09; Заявлено 20.07.88; Опубл. в БИ, 1991, №23.

6. Патент України №5411 G01 R27/00 Імітатор великих опорів. / Микийчук М.М., Пацарнюк Я.В., Яцук В.О. - №4826740/21; Заявлено 18.05.90; Опубл. 1994 в Бюл. №7-І.

7. Булыга С.Г., Микийчук М.М., Пацарнюк Я.В., Шморгун Е.И. Комбинированный ЦАП для автоматизированной поверки средств измерения температуры. Тезисы докладов шестой Всесоюзной конференции “Электротермометрия-88”, Луцк, 13-15 сентября 1988г.- Луцк, 1988- Часть ІІ.-C.53.

8. Булыга С.Г., Микийчук М.М., Пацарнюк Я.В., Шморгун Е.И., Лесько С.С. Програмноуправляемая мера сопротивления, напряжения и тока для автоматизированной поверки приборов РП-160, Тезисы докладов шестой Всесоюзной конференции “Электротермометрия-88”, Луцк, 13-15 сентября 1988г.- Луцк,1988- Часть І.-C.54.

9. Микийчук М.М. Особливості побудови теплотехнічних калібраторів на базі активних імітаторів опору.// Праці 1-st International Modelling School. - Krym Autumn 96. - Alushta. - Ukraine. - 1996. - C. 51.

10. Огірко Р.М., Микийчук М.М., Шморгун Є.І. Перспективи розвитку метрологічного забезпечення вторинних засобів вимірювання температури.// Праці 1-st International Modelling School. - Krym Autumn 96. - Alushta. - Ukraine. - 1996. - C. 59.

11. Огірко Р.М., Микийчук М.М. Багатоканальні вимірювачі-сигналізатори температури.// Праці 1-st International Modelling School. - Krym Autumn 96. - Alushta. - Ukraine. - 1996. - C. 60.

12. Микийчук М.М. Шляхи вдосконалення метрологічного забезпечення вимірювання температури. Збірник праць четвертої міжнародної науково-технічної конференції “Контроль і управління в технічних системах -КУТС - 97”, Вінниця, 21-23 жовтня 1997р. - Вінниця, 1997 - Том 2, C.104...107.

13. Микийчук М.М., Столярчук П.Г. Оцінка ефективності засобів метрологічного забезпечення. Збірник праць третьої міжнародної наукової конференції "СІЕТ-98", Кам'янець-Подільський, 2-6 червня 1998р. - Камянець-Подільський, 1998 - Том 5, C.51...54.

14. Столярчук П.Г., Яцук В.О., Микийчук М.М. Кодо-керовані високоомні міри опору. Збірник праць четвертої міжнародної науково-технічної конференції ”КУТС - 97”, Вінниця, 21-23 жовтня 1997р. -Вінниця, 1997 - Том 2, C.93...96.

Размещено на Allbest.ru

...