Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [19] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

При времени измерения 10 с обеспечивается разрешающая способность 10"" °С, за 0,1 с - 0,01 °С. Габаритные размеры прибора-330 X 160x300 мм

Разработаны две модификации выносных щупов - с жестким креплением (ф 15x380 мм) и с гибким креплением (ф 15x55 мм). Постоянная времени в воде составляет 14 с. В приборе предусмотрены возможности автоматической юстировки и подстройки нуля.

Примеры цифровых приборов на базе микропроцессоров и мини-ЭВМ. Принципиально по-иному решаются задачи сопряжения невзаимозаменяемых нелинейных термодатчиков в цифровом термометре модели 2804А фирмы Хьюлетт-Паккард, выполненном на основе микропроцессора. В этом приборе каждый датчик снабжается дополнительным электронным блоком, в котором закодированы все паспортные данные датчика. Зафиксированная информация с достаточной точностью отражает индивидуальную рабочую характеристику, полученную при калибровке датчика на заводе. Электронный блок - паспорт - подсоединяется через разъем к прибору. При замене датчика заменяется и прикладываемый к нему паспорт.

Обработка сигнала с датчика и информации, хранимой в его паспорте, производится процессором и обеспечивает прямой отсчет температуры.

Термометр 2804А рассчитан на измерение температуры в диапазоне -80 н-+250 °С. Прибор комплектуется датчиками, выполненными на основе резонаторов 1С-среза частоты 28 МГц с чувствительностью примерно 1 кГц/°С. Используется несколько вариантов включения зонда с резонатором. При расстоянии до прибора менее 3,7 м зонд соединяется с ним согласованным кабелем длиной 3,7 м. При этом для возбуждения резонатора используется генератор, встроенный в прибор. При расстоянии от датчика до прибора от 3,7 до 64 м используется выносной генератор, соединяемый с зондом кабелем 3,7 м и с прибором кабелем до 60 м. При больших расстояниях между генератором и прибором устанавливаются дополнительньхе линейные ВЧ-усилители, обеспечивающие длину линии связи между датчиком и прибором до 1400 м.

Зонды выпускаются в 12 модификациях и различаются конструкцией кожуха, защищающего резонатор. Длина пенала варьируется от 26 до 486 мм. Варианты конструктивного исполнения предназначены для работы в различных эксплуатационных условиях в воздухе, газах и жидкостях.

В диапазоне температур -50-+150 °С точность измерений составляет ±0,04 °С, в диапазоне 80+250 °С точность +0,075 °С. Долговременная стабильность ±0,004 °С в месяц. Датчик обладает гистерезисом на уровне ±0,05 °С при изменениях температуры от -80 до +250 °С, ± 0,02 "С при изменениях от -50 до +150 "С и 0,001 °С при изменениях температуры на 10 °С в любой части диапазона -20-ь+120 °С. В соста-

ве термометра могут одновременно работать два термодатчика, что позволяет измерять и разность температур.

Вывод информации производится на дисплей на 7 знакомест. Предусмотрена возможность выбора величины разрешения (0,01; 0,001; 0,0001 °С). В комплект поставки может входить встраиваемый преобразователь цифрового отсчета в напряжение, позволяющий регистрировать на самописце переходные процессы с разрешением до 0,01 °С.

На переднюю панель прибора выведены переключатели для подстройки нуля показаний. Для проведения периодической подстройки с точностью + 0,0002 °С в комплект входит сосуд "тройной" точки воды.

Многоканальные цифровые приборы. Проблемы, возникающие при создании аппаратуры на базе ПРД, заметно усложняются при решении задач многоточечных измерений. Earn для этих задач применять подход, использованный в цифровом термометре HP 2804А, то возникает ряд препятствий. Наиболее существенные из них - резкое увеличение габаритных размеров из-за значительных объемов индивидуальных вставок - паспортов, содержащих информацию о характеристиках датчиков. Не менее важная проблема - увеличение времени измерения, что связано с низким быстродействием прямого метода измерения частоты. Эти, а также ряд других проблем- преодолены в отечественном мультиметре "Электроника МК-Г [42,43].

Прибор предназначен для работы с частотными пьезорезонансными датчиками либо с частотными датчиками других типов с соответствующими диапазоном изменений частоты и уровнями выходных сигналов. Число измерительных каналов в приборе 16.

В соответствии с задачей, решавшейся при его разработке, полное время измерений по всем 16 каналам не должно было превышать 2 с. При этом разрешающая способность должна составлять по любому из каналов 10""-Ю"* от максимального значения измеряемого параметра. Комбинация этих требований, как показано в § 3.4, делает неприемлемой обработку частотных сигналов методами преобразования с непосредственным отсчетом частоты.

В описываемом мультиметре используется преобразователь частоты в код, реализующий метод с непосредственным отсчетом периода. В процессе обработки время преобразования поддерживается постоянным. Преимущества такого алгоритма рассмотрены в § 3.4. Применение ПЧК с отсчетом по периоду обеспечивает требуемые быстродействие и точность для датчиков как с большой (до 100 кГц), так и со сравнительно невысокой (до 5 кГц) полезной девиацией частоты.

Вторая важная особенность мультиметра связана с обеспечением высокой точности измерений при работе с частотными датчиками, обладающими нелинейностью рабочих характеристик и их разбросом от образца к образцу. Эта задача решена благодаря примененик) энергонезависимого запоминающего устройства, в которое с пульта на передней панели прибора вводятся коэффициенты аппроксимации градуиро-



Централь-

Энергоне-

зависимое

процессор

внутренняя шина прибора

Устройство

Интерфейсы системник

ввода -

шин и внешних

вывода

устройств

Номмута-

тор сигналов

тптг

к Системным шинам и внешним устройствам

Рис. 4-6. Структурная схема многоканального цифрового мультиметра "Электроника МК-1"

вочных характеристик датчиков. ЗУ обеспечивает хранение коэффициентов аппроксимации по всем измерительным каналам прибора, а также хранение других констант, измеряемых в процессе его эксплуатации. Программирование ЗУ осуществляется в составе прибора, что обеспечивает простоту и удобство изменения коэффициентов и констант при замене датчиков, при коррекции их градуировочных характеристик.

Градуировочные характеристики всех датчиков, входящих в состав мультиметра, с достаточной степенью точности описываются степенным полиномом вида (3.8).

Хранение коэффициентов аппроксимации осуществляется в энергонезависимом ЗУ прибора в виде двоичных чисел с плавающей запятой. Это исключает необходимость в масштабировании и расширяет диапазон используемых чисел, что крайне важно при работе с датчиками, сильно различающимися порядками коэффициентов аппроксимации.

Энергонезависимое ЗУ выполнено на базе БИС оперативных запоминающих устройств КМОП-типа. Сохранение в ОЗУ записанной информации при отключении основного источника питания обеспечивается по-118

средством автоматического включения дополнительного автономного источника. В качестве ОЗУ использованы микросхемы КР537 РУЗА (КР537 РУНА) с информационной емкостью 4096 бит. Хранение информации гарантируется при автономном источнике с потреблением соответственно 1 (10) мкА.

Структурная схема прибора приведена на рис. 4.6. Функциональные блоки прибора связаны между собой через единый канал обмена информацией (внутреннюю шину прибора).

Мультиметр предназначен для измерения температуры атмосферного давления и относительной влажности окружающей среды, а также температуры других технологических сред и материалов при работе в составе АСУ ТП, в различном контрольно-измерительном и испытательном оборудовании, в установках контроля и поддержания микроклимата в производственных, складских и других специальных помещениях. Мультиметры работают совместно с описываемыми в книге кварцевыми измерительными преобразователями температуры ПТКИ-01, ПТКИ-02, ПТКИ-03, давления ПДКИ-03 и влажности ПВКИ-01. Коммутация приборов с преобразователями осуществляется при помощи кабелей длиной до 1 км.

Мультиметр имеет следующие технические характеристики:

Количество измерительных каналов.........16

Д1апазон измерения:

температуры, °С...................0-+50

атмосферного давления, мм рт.ст......... 630-800

влажности, % отн. влажности............20-90

Погрешность измерения:

температуры, °С...................±0,04

атмосферного давления, мм рт, сг.........±0,5

влажности, % отн. влажности............±2,5

Разрешающая способность каналов измерения:

температуры, °С...................±0,001

атмосферного давления, мм рт.ст.........

влажности, % отн. влажности............±0,1

Длительность одного цикла измерения по 16 измерительным каналам, с................2

Габаритные размеры, мм................ 520 х 100 " 430

Масса, кг..........................16

Потребляемая мощность, В • А............150

Мультиметры МК-1 могут быть использованы для измерения частоты электрических сигналов в диапазоне от 1 до 100 кГц с погрешностью ± 0,1 Гц и для измерения периода электрических сигналов в диапазоне от 10 до 1000 мкс с погрешностью ±0,001 мкс, что обеспечивается встроенным опорным генератором 10 МГц.

Связь мультиметра МК-1 с внешними устройствами и системами осуществляется путем установки в мультиметр одного из стандартных системных интерфейсов ЭВМ "Электроника-бОМ" и размещения в ПЗУ пользователя соответствующей программы обмена информацией.



Системные интерфейсы устанавливаются в одно из свободных посадочных мест каркаса прибора. Вместо них в прибор могут быть установлены два устройства пользователя, конструктивно и электрически совместимые с каркасом и шиной ЭВМ "Электроника-бОМ".

4.3. ПОДОГРЕВНЫЕ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРЫ

Подогревные пьезорезонаторы являются преобразователями, объ-единяюшими конструктивно пьезоэлектрический резонатор и дополнительный электронагреватель (или холодильник), предназначенный для перестройки частоты пьезорезонатора посредством изменения его температуры.

Подогревные термочувствительные резонаторы, или терморезонансные преобразователи (ТПР), - устройства, в которых температура резонатора и соответственно его частота зависят от значения подводимой в нагреватель электрической мошности Р, а также от условий отвода тепла с пьезоэлемента. Конструктивно ТПР делятся на преобразователи с прямым и косвенным подогревом.

В ТПР с прямым подогревом один или оба электрода, используемых для возбуждения, могут одновременно выполнять функции нагревателя.

В ТПР с косвенным подогревом электроды и резистивные слои, образующие нагреватель, гальванически разделены. Эти ТПР во многих случаях оказываются предпочтительней, поскольку упрощают построение схем, требующих электрической развязки высокочастотных цепей возбуждения резонатора от цепей управления током нагревателя.

Среди основных требований к материалу подогревных электродов ТПР относятся низкое старение при длительной работе в высокотемпературном режиме и малый температурный коэффициент сопротивления. Чаще других в ИПР используются вольфрам, нихром. Золо-ф и платина применяются сравнительно редко ввиду высокой стоимости, хотя химическая стойкость и стабильность этих материалов весьма высоки.

Ограничимся рассмотрением только применяемых в ПРД высокочастотных термочувствительных резонаторов.

а) Режимы работы ТПР

Возможны два режима работы ТПР.

В первом режиме входной параметр преобразуется в пропорциональные изменения мощности Р„, рассеиваемой в нагревателе. Теплофизи-ческие параметры среды для этого случая фиксированы (коэффициент теплоотдачи резонатора К. = const).

Во втором режиме входной параметр преобразуется в изменения условий теплоотдачи (вариации} коэффициента К-) при постоянной мощности рассеяния.

б) Характеристики ТПР

Одним из важнейших параметров ТПР является коэффициент использования по мощности Sp:

Sp = АР/At.

Коэффициент Sp характеризует эффективность преобразования тепловой мощности, выделяемой в нагревателе, в изменения температуры резонатора и в конечном счете в приращения частоты. Через коэффициент Sp могут быть определены такие параметры, как крутизна преобразования df/дРк порог чувствительности Дмин термопреобразователя по мощности:

, = = ту/ -;

dt дР ЪР

df Kfp

(4.7)

(4.8)

где S/ш - нестабильность частоты ("шум") автогенераторного ТПР

при f = const, Рн = const.

Экспериментально найдено, что для ТПР коэффициент использования

мощности лежит в пределах

0,5мВт/°С < 5р< 10мВт/°С.

Нижняя граница (0,5 мВт/°С) соответствует вакуумированным ТПР, верхняя - ТПР, работающим в воздухе [164, 174]. Для ТПР, выполненного на резонаторе Г-среза (Г/ = Ю"* 1/°С) и работающего на частоте 15 МГц в условиях вакуума, крутизна преобразования Kfp составляет 3 МГц/Вт.

Опыт работы с ТПР показывает, что кратковременные уходы автогенератора с частотой колебаний 10-20 МГц, стабилизированного терморезонатором при постоянной температуре, лежат в пределах 5/ш < < 1-=-10 Гц. Используя соотношение (4.8), найдем, что для худшей оценки (Д/ = 10 Гц) 5/> = 10 мВт/°С порог чувствительности по мощности составляет

Дмин = = ЗЗмкВт.

Таким образом, имеется потенциальная возможность строить на основе ТПР преобразователи с классом точности 0,01 и выше.

4.4. ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ ВАТТМЕТР

Электротепловой ваттметр, построенный на основе ТПР, предназначен для точных измерений действующего значения мощности и энергии переменного тока в широком диапазоне частот и при произвольной форме кривой [73, 74].



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [19] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.001