технические измерения и приборы

Рис. 6. Датчик давления от “APZ”

Характеристики:
Диапазоны давления: от 0...0,1 бар до 0...25 бар;
Измеряемое давление: дифференциальное;
Основная погрешность: 0,5 / 0,25% ДИ
Выходной сигнал:
4...20 мА (Exia исполнение - опционально);
0...20 мА; 0...10 В; 0...5 В; 0,5...4,5 В; RS-485 (Modbus RTU); HART;
Сенсор: кремниевый тензорезистивный;'
Механическое присоединение: М20х1,5; G1/2”; М12х1,5 ГОСТ 22525;
Температура измеряемой среды: -40...+125 °C;
Температура окружающей среды: -50...+85 °C.

Аналог 2 (Мера Прибор) :

Рис. 7. Датчик давления компании «Мера Прибор»

Диапазон измерений, бар: от 0...0,35 до 0...25;
Тип измеряемого давления: избыточное;
Точность, %ВПИ: ±0,1%; ±0,25%;
Производитель: МераПрибор;
Выходные сигналы: 4...20мA;
Температура процесса, °С: -40...125;
Технологические присоединения: М20х1,5 /G1/2 /1/4-18NPT и др.
Класс пылевлагозащиты, IP: IP65;
Материал корпуса: нерж. cталь ;
Основная измеряемая величина: дифференциальное давление;
Тип прибора: Датчики давления;
Отрасли применения: Гидравлика, пневматика;
Температура окружающей среды, °С: -20...85.


Аналог 3 (Huba Control):

Рис. 8. Датчик давления от “Huba Control”

Измеряемая среда: газы, жидкости Диапазоны измерения избыточного давления: 0 – 2.5…40 бар Диапазоны измерения абсолютного давления: 0 – 2.5…16 бар Основная погрешность: ±0.5% от диапазона Температурная погрешность: ±0.015% диапазон/K Допускаемая перегрузка: 2x(диапазон) Температура измеряемой среды: -15 … +80 0С Выходные сигналы: 0…+5 В, +1…+6 В, 0…+10 В,
4 … 20 мА. Инерционность: не более 5 мс Подключение к измеряемой среде: G1/4, M 12x1 Степень защиты: IP65 или IP67 Отсутствие эффектов механического старения и ползучести.  
Сравнительный анализ приведенных аналогов показывает:
po условиям применения – все равнозначны;
по точности – первые два равнозначны, третий хуже;
по особенностям монтажа и эксплуатации – равнозначны;
аналог 2 – отечественного производства, что является преимуществом.

Принципиальное значение имеет способ съема информации с измерительного преобразователя. На рисунке 9 приведена дифференциальная схема подключения измерительного преобразователя, применяемая при работе с удаленным преобразователем, и позволяющая эффективно подавить помехи на соединительный кабель, синфазное напряжение на мостовом преобразователе. При размещении предварительного усилителя внутри корпуса преобразователя дифференциальная схема на входе удаленного оборудования системы оказывается полезной для подавления наводок на соединительный кабель [5 – 7].


Рис. 9. Эквивалентная схема съема информации с измерительного преобразователя.










Расчет точности ИИС

Рассмотрим, прежде всего, вопросы метрологического обеспечения.
Погрешности принято разделять на систематические и случайные [7-9, 11].
Случайные погрешности определяются шумами измерительного преобразователя, аппаратуры предварительной обработки и АЦП.

Для выбранного АЦП имеем параметр SNR (signal noise ratio) = 20log10(US/UN) = 82 дБ – собственный шум АЦП, приведенный к указанной выше шкале, что соответствует величине среднеквадратичного отклонения ( = 100 мкВ.
При шкале выходного сигнала АЦП ±1.25 вольта шумами АПОС можно пренебречь.
Спектральная плотность теплового шума современных инструментальных усилителей в полосе частот выше 10 Гц составляет величину порядка [3.7]:
S ≈ (7-9) нВ/(Гц)1/2
В соответствии с заданным временен измерения 0.1 секунда примем значение частоты среза полосы пропускания измерительного канала на уровне fв= 10 Гц. В таком случае СКО теплового шума инструментального усилителя «по входу» измерительного канала с инерционным звеном первого порядка с ( = 0.1 секунды составит:
(uy = Sxu/2(sqrt(() = 9/ 2(sqrt(0.1) = 4.5/ 0.3 = 15 нВ.
Видно, что полученная величина является пренебрежимо малой по сравнению с измеряемыми величинами.

Собственный шум измерительного преобразователя укладывается в приведенную величину погрешности 0.2 % от величины шкалы, то есть 1.25 · 0.002 = 2.5 мВ, который усредняется, как показано выше, в 158 раз за время измерения 100 мс, то есть до величины 15 мкВ.
Таким образом, с учетом предложенного усреднения измеряемой величины за время 100 мс, случайная погрешность измерения не превысит 0.0015 %, что намного меньше заданной величины.

Систематические погрешности делят на аддитивные – которые складываются алгебраически с измеряемым сигналом, и на мультипликативные – определяемые коэффициентов передачи усилительной техники.
Для АЦП типа PCI-1716 мультипликативная погрешность коэффициента передачи не хуже (м = ±0.05% от установленного коэффициента передачи K=4, соответствующего шкале входного сигнала Umeas = ±1.25 вольта.
Мультипликативная погрешность АПОС и измерительного преобразователя устраняются периодической поверкой и калибровкой данных устройств.
Всю величину погрешности измерительного преобразователя, заданную на уровне ±0.25% отнесем на счёт его аддитивной систематической погрешности, связанной с нелинейностью амплитудной характеристики.
Таким образом, в составе информационно – измерительной системы, с использованием предложенного оборудования и АЦП, можно ожидать выбранный АЦП обеспечивает следующую инструментальную погрешность:
εинс = 0.05 + 0.25(|Umax/Umeas| -1) [%]

Дальнейшее уменьшение аддитивной систематической погрешности может быть достигнуто за счет индивидуальной калибровки измерительного преобразователя, для учета его реальной амплитудной характеристики.
Основные источники погрешности измерения давления в созданной ИИС сведены в таблицу 1.






Таблица 1. Погрешности измерения давления
Источник погрешности Тип погрешности Оценка
величины Нелинейность измерительного преобразователя аддитивная систематическая (s1 ( ±0.25% Влияние температуры мультипликативная систематическая (s2 ( ±0.1% Влияние тока питания измерительного преобразователя мультипликативная систематическая (s4 ( ±0.05% Погрешность АЦП инструментальная (s7 ( ±0.05% Шумы средства измерения случайная (r1 ( 0
Влияние температуры и тока питания измерительного преобразователя могут быть учтены измерениями данных величин в реальном режиме времени.

Монтаж системы на площадке применения выполняется квалифицированным персоналом, с соблюдением правил техники безопасности в соответствии с комплектом эксплуатационной документации, поступившей от изготовителя совместно с системой.
К наладке системы допускаются квалифицированные лица, прошедшие обучение и в присутствии представителя фирмы – изготовителя.
Эксплуатация информационно – измерительной системы осуществляется в соответствии с графиком работы технологического оборудования, использующего контролируемый резервуар с рабочей жидкостью. При эксплуатации ведется журнал учета рабочего времени и выявляемых особенностей, недостатков и непредвиденных обстоятельств.




Заключение
В ходе выполнения работы спроектирована информационно – измерительная система для контроля давления рабочей жидкости в закрытом резервуаре.
Система построена на современном оборудовании, с использованием персонального компьютера с операционной средой Windows. Программно - математическое обеспечение должно быть написано на языке C++ для примененной интерфейсной платы PCI1716 производителя Advantech, согласованной как с указанной операционной средой, так и с языком программирования.
Оценки точности измерения показывают достаточные метрологические свойства системы для надежного контроля технологического процесса.



















Литература:
Информационно-измерительная техника и электроника: Учебник для вузов / Под ред. Г.Г.Раннева.-М.: Академия, 2006.-511с.
Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: Учебник для студентов вузов. -М.: Академия, 2004.-311с
Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов / Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф.Папуловский, В.Н. Скуров: Под ред. Н.Н. Евтихиева. – М.: Энергоатомиздат, 1990.-352 с.
Информационно-измерительная техника и технологии. Уч. для вузов / Под ред. Г.Г. Раннева.- М.: Высшая школа, 2002
Зернов Н.В., Карпов В.Г., Теория радиотехнических цепей. Л.: «Энергия» 1972 г.
Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л.: Энергия, 1974
Левшина Е.С., Новицкий П.В. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат. 1983. – 313 с.
Фридман А. Э. Основы метрологии. Современный курс.– СПб.: НПО «Профессионал», 2008. – 280 с.
Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц. — М.: Мир, 1983. — Т. 1. 312 с.
Интерфейсная плата PCI-1716 [Электронный ресурс] Сайт компании “Advantech” URL:http://www.advantech.com/products/search.aspx?keyword=PCI-1716
Шрамков Е.Г. Электрические измерения. Средства и методы измерений // М.: Высшая школа. 1972. 520 стр.










2



UИ

UИ

R4

R24

R1

R3

UИ

UИ

R4

R24

R1

R3


ИП1


ДУ


ФНЧ


АЦП


ПК



МОН

ИУ

ДХ

Rд

U0

Uвых

L = 10 метров

2

ИСТ

Rл

Rб