Основні відомості про роботу каналу вимірювання температури

Канали вимірювання температури агрегату в АСКТП включають тер­моелектричні дат­чики (датчики опору) і вимірювальні перетворювачі (ВП) сигналу термоелектрорушійної сили (термоЕРС) (опору) в уніфіко­ва­ний сигнал постійного струму 0...5 мА або напругу постій­ного струму 0...10 В для введення в засоби обчислюваль­ної техніки, вторинні прилади.

ТермоЕРС, яку генерує вимірювальна термопара, залежить від різниці температур робо­чого і вільного кінців термопари, мВ:

Е = K (T_p - T_в), (8.1)

де K - чутливість термопари (величина близька до сталої у діапазоні вимірювання), мВ/⁰С; T_p, T_в - температура робочих і вільних кінців термопари, ⁰С.

Стандартні термопари, які мають найбільше поширення для вимірювання високих тем­ператур, означення їх градувань та інтервали вимірювання температур наведені в таблиці 8.1.

В інтервалі температур 200...1600 ⁰С найбільш стабільним є платинородій-платиновий термоелектричний термометр, тому його використовують як зразковий і за ним здійснюють перевірку або градуювання інших термометрів.

Таблиця 8.1

Основні характеристики термоелектричних термометрів

Залежність електричного опору термометрів (ТО) від температури описується рівнян­ням:

R_t = R ₀(1 + At + Bt ²), (8.2)

для мідних ТО

R_t = R ₀(1 + at), (8.3)

де R_t, R ₀ - електричний опір при температурах t ⁰С та 0 ⁰С відповідно, Ом; А, В, a - коефіцієнти, що залежать від виду, чистоти матеріалу та технології виго­тов­лення дроту; t - вимірювальна температура, ⁰С.

Для створення вимірювальних систем із стандартних пристроїв серійні ТО виготов­ляють із стандартним градуюванням (Гр.), величина електричного опору і значення вимірю­вальних температур яких наведені в таблиці 8.2.

Вимірювальні перетворювачі призначені для роботи з дат­чи­ками термоелектричними типів ТХК, ТХА, ТПП, ТПР, ТВР. Загальний опір лінії зв¢язку з ВП, включаючи опір самого термоелектричного датчика, не повинен перевищувати 150 Ом. ВП випускаються з нелі­ній­ною залежністю від вхідного сигналу, але мають лінійну залеж­ність вихідного сигналу від температури, що вимірюється.

Таблиця 8.2

Технічні характеристики металевих термометрів опору

Найбільш поширеними перетво­рювачами для роботи в умо­вах нормального клімату є перетворювачі Ш72, Ш705, Ш78. На рис. 8.1 наведена принци­пова схема вимірювального перетворювача Ш72.

В залежності від типу і номінальної статичної ха­рак­теристики перетворю­ван­ня, діапазону вимірювання, виду вихідного сигналу ВП Ш72 має 304 модифікації.

Вимірювальний міст А1 здійснює компенсацію тер­мо ЕРС вільних кінців тер­мо­пари за допомогою мід­ного резистора, що під­клю­чений послідовно до од­ного з плечей моста і вста­нов­ле­ний поблизу місця підклю­чен­ня вільних кінців термо­лектричного датчика.

Напруга з виходу вимі­рювального моста подається на А2, який виконаний за схемою модулятор-демодулятор (МДМ). Напруга, що знімається з модулятора, підсилюється підсилювачем змінного струму і випрямляється демодулятором, який зібраний за мостовою схемою.

З виходу А2 сигнал надходить на пристрій гальванічної розв¢язки А3. А3 складається з модулятора, розподільного трансформатора, демодуля­тора і генератора прямокутних ім­пуль­сів. Генератор прямокутних імпуль­сів керує ключами модулятора і демодулятора за допомогою трансформа­тора. Напруга з виходу демодулятора фільтрується RС фільтром і подається на функціональний пристрій.

А4 здійснює лініарізацію сигналу термопари. З виходу А4 сигнал надходить на вихід­ний підсилювач А5, який забезпечує уніфікований сигнал ВП 5 мА або 10 В. F здійснює обмеження напруги і струму у вхідному колі ВП до необхідного рівня.

Випускаються також вимірювальні перетворювачі для роботи з термометрами опору ТСП і ТСМ. Найбільш поширеними перетво­рювачами для роботи в умо­вах нормального клімату є перетворювачі Ш71, Ш703.

ВП випускаються наступних класів точності - 0,4; 0,6; 1,0.

При досліджені систем вимірювання треба враховувати, що сумарна похибка каналу залежить не тільки від класу точності окремих елементів, а також від додаткових похибок, які виникають при невідповідності умов експлуатації системи, умовам при яких відбувалось її градуювання.

Загальна (сумарна основна і додаткова) похибка визначається за фор­мулою:

, (8.4)

де g - основна похибка, g _Т, g _Н, g _f, g _R - додаткові похибки, викликані відповідно зміною температури навколиш­ньо­го середовища, напруги і частоти, опору навантаження; К_д - характеристика розподілу складових похибки (для розподілу, що близький до нор­мального, К_д = 1,1); g _ТТ - основна похибка термоелектричного термометра за паспортом.

Для визначення основної похибки каналу вимірювання температури використовують розрахунково-експеримен­та­льний метод (рис. 8.2). Для цього на вхід ВП підклю­ча­ють переносний потен­ціо­метр, за допомогою якого за­дають значення вхідного сиг­налу. Основна похибка ка­на­лу повинна визначатися не менш ніж при шести зна­чен­нях вихідного сигналу (0, 20, 40, 60, 80, 100 % межі змі­нен­ня вихідного сигналу). У кожній точці проводиться не менше 5 вимірів.

 

За основну похибку по­винна прийматися виражена у відсотках найбільша (за абсолют­ною величиною) і віднесена до нормуючого значення вхід­ного сигналу різниця між дійсним середнім значенням вихідного сигналу, що виміряний при прямому і зворотному зміненні вхідного сигналу, і розрахованим значенням вихідного сигналу.

Середні значення показів приладу для кожного значення вхідного сигналу

, (8.5)

 

де n_нi - покази вторинного приладу при підході знизу до точки, у якій здійснюється вимі­рю­вання; n_вi - покази вторинного приладу при підході зверху до точки, у якій здійснюється вимі­рю­вання.

Величина основної похибки знаходиться у вигляді приведеної і визначається за фор­мулою

, (8.6)

де -дійсне значення вихідного сигналу; А_р - розраховане значення вихідного сигналу при одному і тому ж значенні вхідного сиг­налу; А_н - нормуюче значення вихідного сигналу (для приладів, шкала яких починається з нуля, дорівнює максимальному значенню сигналу, для приладів шкала яких починається не з нуля, дорівнює діапазону вимірювання).

Додаткові похибки знаходять із умов:

1. Змінення вихідного сигналу ВП, що спричиняється зміною температури навколиш­нього середовища t ₀від плюс 20 ± 2 ⁰С до плюс 5 або до плюс 50 ⁰С, не перевищує поло­ви­ни межі абсолютного значення допустимої основної похибки g на кожні D t = 10 ⁰С змінення темпе­ратури.

2. Змінення вихідного сигналу ВП, що викликається зміною напруги кола живлення від номінальних значень U ₀ = 220 В до значення U_MAX =242 В або до U_MIN =187 В не переви­щує половини межі абсолютного значення допустимої основної похибки g.

3. Змінення вихідного сигналу ВП, що викликається зміною частоти кола живлення від номінальних значень f ₀ =50 Гц до значення f_MIN = 49 Гц або до f_MAX = 51 Гц, не перевищує половини межі абсолютного значення допустимої основної похибки g.

4. Змінення вихідного сигналу ВП, що зумовлюється зміною опору навантаження в межах від R ₀ = 100 Ом до R_MAX =2,5 кОм для сигналу 0...5 мА і від R ₀ = 2 до R_MAX = 100 кОм для сигналу 0...10 В, не перевищує половини межі абсолют­ного значення допустимої основної похибки g.

ПРИКЛАДИ. 1. Визначити додаткову і сумарну похибки каналу вимірювання темпе­ра­тури агрегату системою, що складається з термоелектричного термометра і вимірювального перетворювача з вихідним сигналом у вигляді сили струму, якщо найбільша температура в агрегаті не перевищує 900 ⁰С. Температура навколишнього середовища t_C = 28 ⁰С, напруга кола живлення 210 В, частота кола живлення 49,7 Гц, опір навантаження 1 кОм.

1) Вибираємо термоелектричний термометр за даними таблиці 8.1. Найбільш близькою за характеристикою є термопара хромель-алюмель (ТХА). Клас точності термопари 0,5 %.

2) Вибираємо вимірювальний перетворювач Ш72 з класом точності 0,4.

3) Знаходимо додаткову похибку g _Т ВП від змінення температури навколишнього сере­до­вища: