УНИФИЦИРУЮЩИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В современных ИИС используется большое количество разнооб­разных первичных измерительных преобразователей, которые различа­ются как по физическим принципам работы, видам естественных вы­ходных сигналов, так и по их динамическим диапазонам и мощности.

Для согласования первичного преобразователя с устройствами си­стемы его выходной сигнал должен быть унифицирован, т. е. отвечать некоторым требованиям по уровню, мощности, виду носителя инфор­мации и т.д., которые определяются соответствующими ГОСТ. Так, в соответствии с ГОСТ 9895—78 в качестве носителя информации при­няты электрические сигналы -достоянного и переменного токов.

Уровни постоянного тока в системе должны изменяться в сле­дующих пределах: 0—5 мА; —0,5—0—5 мА; 0—20 мА; —20—0—20 мА; 4—20 мА; —100—0—100 мА.

В информационно-измерительных системах дальнего действия ре­комендуется использовать следующие сигналы: 0—5 мА; 0—20 мА; 4—20 мА.

Уровни напряжения постоянного тока должны соответствовать сле­дующим значениям: 0—10 мВ; —10—0—10,мВ; 0—20 мВ; 0—50 мВ; 0—100 мВ; —100—0—200 мВ; 0—1 В; —1—0—1 В; 0—5 В; —5—0—5 В; 1—5 В; 0—10 В; —10—0—10 В.

Для проведения дистанционных измерений рекомендуются сигна­лы 0—1 В; 0—5 В; 1—5 В.

При этом лимитируются следующие нагрузочные сопротивления: 2,5 кОм для сигналов 0—5 мА; —5—0—5 мА;

1 кОм для сигналов 0—20 мА; —20—0—20 мА; 4—20 мА;

250 Ом для сигналов —100 ÷ + 100 мА.

Унифицирующие измерительные преобразователи с токовым вы­ходом, как правило, используются в ИИС дальнего действия, где тре­буется передача сигналов на сравнительно большие расстояния с не­высокой погрешностью и без особых требований к линии связи; УИП с токовым выходом должен иметь высокое выходное сопротивление (R_выхI → ∞).

Сигнал 0—10 В применяется в ИИС как основной сигнал связи внутри системы, так как между отдельными блоками и узлами систем практически нет длинных линий связи, и эти блоки являются преобра­зователями напряжения. Использование уровня напряжения в качест­ве унифицированного сигнала требует низкого выходного сопротивле­ния УИП (R_выхU → 0), большого входного сопротивления следующих за УИП устройств и предъявляет повышенные требования к стабильности параметров линии связи.

Применение сигналов с так называемым подавленным нулем, т. е. 1,0—5 В; 4,0—20,0 мА, имеет ряд положительных качеств:

1) возможность контроля исправности первичного преобразователя и ИИС в целом при начальном уровне входного сигнала x = 0;

2) возможность применения одной двухпроводной линии связи для передачи входного сигнала и осуществления питания и т. д.

Широкое использование средств микроэлектроники в современных ИИС потребовало введения в ряд унифицированных сигналов напря­жения постоянного тока 0—5 В. Целесообразность его введения заклю­чается в том, что:

1) переход на сигнал 5 В (1 мА) не повлечет за собой ухудше­ния метрологических характеристик системы;

2) существенно облегчается производство микросхем частного при­менения, поскольку для обеспечения выхода 5 В (1 мА) достаточно иметь бескорпусные транзисторы с предельным напряжением коллек­тор— эмиттер 15—20 В и допустимой мощностью рассеяния 30-— 50 мВт;

3) повышается надежность;

4) снижается потребляемая мощность.

На переменном токе в качестве унифицированных должны приме­няться сигналы переменного напряжения следующего уровня: —1,0—0—1,0 В; 0—2,0 В. При этом частота сигнала должна соответство­вать 50 или 400 Гц. Кроме сигналов напряжения переменного тока, ГОСТ 14853—76 разрешается применение в ИИС частотных сигналов 2—4 кГц; 4—8 кГц при амплитудах 60—160 мВ; 160—600 мВ; 0,6— 2,4 В; 2,4—12,0 В.

Сигналы переменного напряжения применяются в ИИС в значи­тельно меньшей степени, чем унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения. Они применяются в основном при использовании преобразователей ферродинамической системы.

Частотные сигналы используются для дистанционной передачи ин­формации, а также в условиях сильных промышленных помех.

Для преобразования выходных сигналов ПП в унифицированные применяется ряд нормирующих преобразователей, выпускаемых как самостоятельные технические средства. На вход нормирующих преоб­разователей могут подаваться естественные сигналы первичных преоб­разователей различных физических величин (ЭДС, сопротивление, ча­стота, перемещение, усилие и т.д.), а на выходе формируются соот­ветствующие унифицированные сигналы.

Группа средств, обеспечивающих унификацию сигнала между его источником или выходом первичного преобразователя и входом вторич­ного устройства, относится к классу унифицирующих измерительных преобразователей (УИП). Другими словами, унифицирующий измери­тельный преобразователь — это вторичный измерительный преобразо­ватель с унифицированным выходом.

Различают индивидуальные, групповые и многоканальные УИП. Индивидуальные УИП обслуживают один первичный преобразователь и включаются между первичным преобразователем и коммутатором или последующим измерительным преобразователем.

Они используются для унификации сигналов при сравнительно не­большом количестве измеряемых параметров и при ограниченном вре­мени измерения, не позволяющем использовать групповые УИП.

Индивидуальные УИП позволяют производить также преобразование одного унифицированного сигнала в другой, гальваническую раз­вязку входных цепей, размножение входного сигнала по нескольким выходам,

Однако применение в каждом ИК ИИС своего УИП, представляю­щего собой сложное техническое средство и располагаемого вместе с ПП непосредственно на объекте исследования, не только усложняет систему, но и значительно снижает ее надежность и экономическую эффективность.

С этой точки зрения более эффективными являются групповые УИП, обслуживающие определенную группу первичных преобразовате­лей, выходные сигналы которых представляют собой однородные физи­ческие величины. Они располагаются4 в ИИС после коммутатора и управляются совместно с последним блоком управления. При подклю­чении очередного ПП характеристики группового УИП перестраивают­ся в соответствии с параметрами выходного сигнала ПП. При этом важной характеристикой УИП является скорость перестройки его ха­рактеристик, так как она определяет быстродействие ИИС в целом.

Обычно при построении многоканальных ИИС разнородных физи­ческих величин последние группируются по роду физической величины и каждая группа подключается к соответствующему групповому УИП.

Если измеряемые физические величины в основном разнородные, то в измерительных системах могут применяться многоканальные УИП, которые представляют собой объединенные в одном корпусе или одной плате несколько индивидуальных УИП. Преобразование информации осуществляется по п входам и п выходам. Основной конструктивной особенностью многоканального УИП является использование общих источника питания и системы контроля для всех индивидуальных УИП. Многоканальные УИП найдут широкое применение в ИИС четвертого поколения (многопроцессорных ИИС) для одновременного и непрерыв­ного преобразования информации по всем ИК ИИС.

К УИП предъявляются те же требования, что и к любому измери­тельному преобразователю. Это обеспечение высокой точности, поме­хоустойчивости, метрологической и эксплуатационной надежности. Повышение метрологических характеристик УИП, с одной стороны, мо­жет быть решено конструктивным путем — использованием современ­ных микроэлектронных компонентов. Использование операционных уси­лителей в интегральном исполнении дает возможность строить УИП, отличающиеся от своих предшественников более высокими метроло­гическими характеристиками при равной стоимости и надежности.

Другой путь совершенствования УИП заключается в применении алгоритмических методов измерения, обладающих повышенной точно­стью. Уже созданы групповые УИП, имеющие основную погрешность 0,1 %, время установления 30—50 мс, диапазон 0—10 мВ.

Недостатками выпускаемых промышленностью групповых УИП яв­ляются значительные габаритные размеры и масса источников питания, включающих в себя силовые трансформаторы, электролитические кон­денсаторы и пр. В настоящее время ведутся работы по использованию

пьезокерамических преобразователей напряжения, обладающих высо­ким КПД и позволяющих преобразовывать напряжение частоты 50 Гц в высокочастотное напряжение, при фильтрации которого могут быть использованы конденсаторы малой емкости.

Перспективным направлением улучшения параметров УИП явля­ется использование оптоэлектронных схем гальванического разделения цепей. Уже выпускаются усилители с разделением цепей на основе светодиодов и фототранзисторов, обладающие высокими метрологически­ми характеристиками.

Серьезной проблемой является обеспечение помехоустойчивости УИП. В групповых УИП решение этой задачи вступает в противоречие с требованиями повышения быстродействия. Проблему помехоустойчи­вости нужно рассматривать комплексно для всего измерительного ка­нала. Подавление помехи может быть достигнуто использованием эк­ранировки измерительного канала, использованием эффективных фильт­ров на входе ИИС и т. д. Представляет интерес использование в УИП принципов подавления, применяемых при построении цифровых измери­тельных устройств.

Значительное подавление помех может быть достигнуто при обра­ботке измерительной информации по специальному алгоритму, так как возможности подавления помехи непосредственно в УИП ограничены.

Основные функции, выполняемые УИП, сводятся к линейным (мас­штабирование, установление нуля, температурная компенсация) и не­линейным (линеаризация) преобразованиям выходных сигналов ПП.

При линейной характеристике первичного преобразователя УИП выполняет линейные операции, которые называются масштабированием. Задача, решаемая при этом унифицирующими элементами, заключает­ся в следующем. Если выходной сигнал ПП меняется от у₁ до y₂, а ди­намический диапазон выходного сигнала УИП должен лежать в пре­делах от 0 до z (z > y₂ — z₁), то для совмещения начала динамических диапазонов УИП и первичного преобразователя к сигналу ПП должен быть добавлен сигнал— y₁ а затем суммарный сигнал должен быть усилен в

k = z /(y₂ — y₁) раз.

Возможен также вариант, при котором выходной сигнал ПП сна­чала усиливается, а потом совмещаются начала динамических диапа­зонов.

Если смещение динамических диапазонов ПП и УИП велико, то в случае, когда сначала производится масштабирование (усиление), а затем совмещение начала динамических диапазонов, нужно обеспечить существенное превышение динамического диапазона УИП над динами­ческим диапазоном выходного сигнала ПП.

Первый вариант приведения выходного сигнала ПП к унифицированному виду обычно используется в индивидуальных УИП, а второй в групповых.

Следует иметь в виду, что масштабирование сигналов связано с введением дополнительных погрешностей в конечный результат изме­рения.

Довольно часто на практике, особенно при измерении температуры, встречается случай, когда y₁ ≠ 0. Это объясняется наличием начального сопротивления резистивного термопреобразователя и соединительных линий между ним и его измеритель­ной схемой, наличием термо-ЭДС хо­лодного спая термопар и т. д. В этом случае необходимо применять ком­пенсацию у₁. Так, для компенсации температуры холодного спая при при­менении термопар можно использо­вать неуравновешенный мост с вы­ходным делителем напряжения на резисторах, позволяющим получать смещение напряжения y₁ для раз­личных типов термопар с учетом температуры окружающей среды. Унифицирующий измерительный пре­образователь включается в измери­тельную цепь после ПП. Так как связь между выходным сигналом у ПП и измеряемым параметром к чаще всего нелинейная (например, у термопар, плати­новых термопреобразователей сопротивления и т.д.), кроме линейной операции z = z₀ + ky, УИП должен выполнять операцию линеаризации. Эта операция нужна для того, чтобы выходной сигнал УИП z_вых ли­нейно зависел от измеряемого параметра, т.е. z _вых= z₀ + k _УИП х, где k _УИП— коэффициент преобразования УИП.

Обычно z и z _вых совпадают в начале и конце динамического диа­пазона. Тогда линеаризация заключается в спрямлении функции преобразования ПП. В этом случае линеаризующая функция должна иметь вид обратной функции преобразования ПП.

Для линеаризации функции преобразования в УИП используются специальные нелинейные звенья. Они могут включаться до линейного унифицирующего преобразователя, после него или в цепь обратной связи усилителя, используемого для изменения масштаба измеряемой величины. При этом для получения линейной зависимости выходного сигнала УИП от измеряемого параметра функция преобразования цепи обратной связи должна иметь такой же вид, как и функция преобразо­вания ПП. Чаще всего линеаризация достигается кусочно-линейной ап­проксимацией и выполняется, как правило, с помощью цепочки последовательно соединенных резисторов, шунтированных стабилитронами или диодами Д₁ — Д₃ (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Структурная схема УИП

С ростом U _вых увеличивается ток делителя и падение напряжения на каждом из резисторов R ₁ — R ₅. Как только падение напряжения на каком-либо из резисторов достигает напряжения пробоя соответствую­щего стабилитрона, стабилитрон начинает шунтировать этот резистор. Сопротивления резисторов подбираются таким образом, чтобы получать требуемую зависимость напряжения обратной связи U _o.c инвертирую­щего усилителя У, снимаемого с резистора R ₅, от выходного напря­жения усилителя U _вых.

Число участков аппроксима­ции и размер каждого из них оп­ределяются заданной погрешно­стью аппроксимации. Типовой аналоговый УИП содержит в своем составе выходной усилитель, устройство гальваниче­ской развязки, функциональный преобразователь, линеаризующий сигнал первичного преобразователя, выходной усилитель, стабилизированный источник питания.

В настоящее время промышленностью серийно выпускаются инди­видуальные УИП для преобразования сигналов широкого круга преоб­разователей [тензорезисторных (ПА-1), термоэлектрических (Ш72, ПТ-ТП-68), термопреобразователей сопротивления (ШЭ1, ПТ-ТС-68) и др.] в унифицированный электрический сигнал.

Некоторые первичные преобразователи в качестве выходного име­ют сигнал переменного тока. Такой сигнал модулируется либо по амп­литуде, либо по частоте.

Амплитудно-модулированный сигнал характерен для дифференци­ально-трансформа-торных, ферродинамических, а также резистивных преобразователей.

Рассмотрим структурную схему УИП типа НП-ПЗ, предназначен­ного для преобразования переменного напряжения датчиков давления, перепада давления, расхода, уровня, паросодержания в унифицирован­ный сигнал постоянного тока 0—5 мА (рис. 6.6).

Переменное напряжение с дифференциально-трансформаторного ПП демодулятором ДМ преобразуется в пропорциональное напряжение постоянного тока, которое усиливается магнитным МУ и электронным У усилителями постоянного тока, охваченными глубокой отрицательной обратной связью через устройство обратной связи ОС, позволяющее при необходимости линеаризовать характеристику первичного преобра­зователя.

Рис. 6.6. Структурная схема УИП типа НП – П3

Частотный ПП в общем случае представляет собой генератор, в частотно-зависимую цепь которого включен чувствительный элемент. Вследствие этого в частотных ПП при равенстве нулю измеряемого па­раметра выходная частота отличается от нуля. У большинства генера­торов функция преобразования нелинейна. Поэтому унифицирующие измерительные преобразователи, работающие с частотными ПП, долж­ны выполнять те же функции, что и УИП амплитудных ПП.

Поиск по сайту: