Тороид. Производство электротехнической продукции
(49831) 4-66-21
(925) 790-73-23
toroid2011@mail.ru

Главная Продукция и услуги Статьи Полезная информация Сертификаты Награды Отзывы Контакты

Продукция и услуги

Саченко A.А., Мильченко B.Ю., Кочан В.В.
Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами

БИБЛИОТЕКА ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 661

МОСКВА
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
1986

Редакционная коллегия: Г. Т. Артамонов, А. А. Воронов, Л. М. Закс, В. К. Левин, В. С. Малов, В. Э. Низе, Д. А. Поспелов, И. В. Прангишвили, Ф. Е. Темников, Ю. М. Черкасов, Г. М. Уланов

Рецензент А. А. Поскачей

Саченко А. А. и др. Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами. А. А. Саченко, В. Ю. Мильченко, В. В. Кочан. Москва: Энергоатомиздат, 1986. Библиотека по автоматике. Выпуск 661.

Рассмотрены принципы конструирования и расчета калибраторов температуры и построения схем измерительных преобразователей температуры с автоматическим калиброванием измерительного канала. Приведены структурные схемы устройств, обеспечивающих проведение процесса калибрования в аналоговых и цифровых приборах. Дано описание схем автоматических потенциометров постоянного тока, цифровых приборов и измерительных систем повышенной точности.

Для инженерно-технических работников в области автоматики и измерительной техники.

Редактор В. И. Сухарев
Редактор издательства А. Н. Гусяцкая
Художественные редакторы Т. А. Дворецкова, Г. И. Панфилова
Технический редактор Г. В. Преображенская
Корректор М. Г. Гулина

© Энергоатомиздат, 1986

Содержание книги
Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами

Предисловие

Глава первая. Калибраторы температуры
1.1. Конструкции калибраторов
1.2. Анализ процесса теплообмена в многослойном калибраторе
1.3. Определение геометрических параметров калибраторов

Глава вторая. Схемотехника преобразователей температуры с автоматическим калиброванием измерительных каналов
2.1. Реализация метода образцовых сигналов с помощью калибраторов температуры
2.2. Идентификация фазовых переходов калибраторов температуры
2.3. Коррекция аддитивной составляющей погрешности
2.4. Коррекция мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности

Глава третья. Средства точного измерения температуры
3.1. Автоматический потенциометр постоянного тока с калиброванием измерительного канала
3.2. Четырехканальный цифровой измеритель температуры
3.3. Цифровой измеритель температуры с коррекцией мультипликативной погрешности
3.4. Измерительная система с автоматическим калиброванием каналов в составе АСУ ТП «Термообработка»
3.5. Автоматизированная система управления технологическим процессом термообработки длинномерных изделий

Приложение
Список литературы

ПРЕДИСЛОВИЕ

Температура является одним из важнейших параметров многих технологических процессов современного производства, а точность температурных измерений в значительной степени влияет на технико-экономические показатели производства и качества выпускаемой продукции.

Во многих отраслях современной технологии: химии, машиностроении, авиации, электронной промышленности, металлургии, и др. — требования к точности измерения температуры чрезвычайно высоки и не могут быть достигнуты при применении выпускаемых в настоящее время промышленностью средств измерений и датчиков. Так, например, термообработка алюминиевых и магниевых конструкционных и литейных сплавов происходит в диапазоне 300—550 °С с допустимыми отклонениями температуры ±3°С; для конструкционных легированных сталей эти процессы идут в диапазоне 700—1100°С с допускаемыми отклонениями ±10 °С; широко распространенные процессы закалки инструмента из легированных инструментальных сталей требуют стабилизации температуры в пределах ±5°С в диапазоне 1000—1200 °С.

Температура разливки ряда современных легированных сталей составляет 1400—1500 °С с допускаемым отклонением ±5°С; при производстве ферритов необходимо поддерживать температуру в пределах ±1°С в диапазоне 1000—1100°С, а при производстве интегральных микросхем — даже ±0,5 °С в диапазоне 900—1300°С

При этом промышленные печи и термоагрегаты как объекты управления характеризуются большими постоянными времени, технологическими циклами, протекающими при постоянных температурах, значительными геометрическими размерами рабочего пространства печи, несоизмеримыми с размерами и массой датчиков температуры.

Несмотря на все многообразие существующих в настоящее время методов и средств измерения температуры наибольшее распространение в промышленности получили контактные методы. Основу парка средств измерений любого промышленного предприятия составляют автоматические потенциометры, милливольтметры и мосты, работающие в комплекте с термоэлектрическими преобразователями и термопреобразователями сопротивления. В указанных условиях доминирующей погрешностью измерения температуры является инструментальная погрешность измерительного комплекта [43].

Потребности производства вызвали в последние годы увеличение числа научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, направленных на повышение точности технических измерений температуры, т. е. измерений, осуществляемых в условиях технологических процессов. При этом значительная их часть была направлена на повышение метрологических характеристик вторичной измерительной аппаратуры, в частности на разработку и применение цифровых измерительных преобразователей и систем.

В настоящее время многие зарубежные фирмы выпускают различные типы цифровых измерительных преобразователей температуры — от простых переносных термометров с батарейным питанием до сложных систем сбора информации на базе микропроцессоров и микро-ЭВМ [40, 48]. Использование в этих системах современных аналого-цифровых преобразователей позволило значительно уменьшить погрешность измерения выходного сигнала датчика температуры. Цифровые термометры и автоматизированные системы для измерения температуры выпускаются и в нашей стране [21, 33, 37].

В многочисленных публикациях и патентной литературе широко представлены различные варианты построения аналоговых, цифровых и программных средств линеаризации и масштабирования сигналов, разрабатываемых или выпускаемых цифровых термометров [13, 40, 48]. Однако предпринятая в этих приборах и системах замена традиционных аналоговых приборов на более точные аналого-цифровые измерительные преобразователи с устройствами линеаризации не позволила повысить точность измерения температуры в целом. Это обусловлено тем, что вследствие ряда ограничений технологического и экономического характера выпускаемые в настоящее время серийно промышленные датчики температуры имеют значительный первоначальный разброс градуировочных характеристик и малую временную стабильность в условиях эксплуатации [16, 27, 28, 30].

Так, например, допускаемая погрешность наиболее широко применяемых в промышленности датчиков температуры — термоэлектрических преобразователей из неблагородных металлов — составляет не менее 1%, что примерно в 2 раза больше допускаемых отклонений для многих технологических процессов в промышленности и почти в 10 раз больше допускаемой погрешности современных аналого-цифровых преобразователей напряжения постоянного тока. Проводимые длительное время работы по изысканию новых материалов для датчиков температуры, совершенствование технологии их производства, разработка конструкций защитной арматуры не привели пока к существенному повышению метрологических характеристик датчиков.

Необходимо отметить, что и возможности общесоюзной поверочной схемы для средств измерения температуры в диапазоне от 0 до 1200 °С не в полной мере соответствуют потребностям современного производства; предел допускаемой абсолютной погрешности для термоэлектрических преобразователей из неблагородных металлов в диапазоне 0 до 1800 °С из-за большого числа ступеней поверочной схемы составляет 1,5— 15,0°С, что явно недостаточно для многих технических применений [15, 22].

В то же время сокращение числа ступеней поверочной схемы за счет организации поверки термоэлектрических преобразователей из неблагородных металлов по реперным точкам при плавлении (кристаллизации) чистых металлов [44] неосуществимо из-за термоэлектрической неоднородности их термоэлектродов. Как начальная, так и приобретенная в процессе эксплуатации термоэлектрического преобразователя термоэлектрическая неоднородность приводит к тому, что его термо-ЭДС зависит не только от разности температуры между рабочим и свободными концами, но и от распределения температуры между ними [25]. Наличие неоднородности электродов термоэлектрического преобразователя ведет к неопределенности его индивидуальной градуировочной характеристики и вызывает значительные погрешности измерения температуры, многократно превосходящие допускаемые погрешности как цифровых, так и аналоговых вторичных приборов [42].

Таким образом, в проблеме повышения точности технических измерений температуры контактными методами наметилась в определенной степени тупиковая ситуация, когда дальнейшее снижение погрешности вторичной аппаратуры нецелесообразно, а погрешности первичных датчиков не могут быть уменьшены из-за ограничений технологического, экономического и метрологического характера.

Наиболее эффективно указанное противоречие может быть разрешено применением для повышения точности температурных измерений структурных методов. Сущность применения этих методов в термометрии заключается в том, что используются обычные датчики, обладающие значительным первоначальным разбросом градуировочных характеристик и малой временной стабильностью, но в состав вторичной аппаратуры вносятся структурно-избыточные элементы, с помощью которых в процессе измерений обеспечивается автоматическая коррекция погрешностей датчиков. Такая коррекция основывается на применении встроенных в защитную арматуру датчиков калибраторов температуры [3—11, 19, 29, 33, 38].

Калибратор, являющийся сложной многофазовой системой, содержит несколько элементов из чистых металлов и позволяет в режиме нормального функционирования воспроизводить в зоне чувствительного элемента датчика несколько точно известных значений температуры. Для уменьшения постоянной времени датчика калибратор температуры может выполняться съемным и устанавливаться только на период калибрования.

Это направление повышения точности измерения температуры является наиболее эффективным средством разрешения рассмотренного выше противоречия между высокой точностью вторичной измерительной аппаратуры и значительными погрешностями датчиков. Эффективность указанного подхода базируется на следующих основных факторах:
- используются обычные, серийно выпускаемые датчики температуры;
- резко уменьшается число ступеней при передаче единицы измерения температуры;
- поверка датчиков осуществляется по реперным точкам при температурах фазовых переходов чистых металлов;
- датчики калибруются в температурном поле эксплуатации, поэтому термоэлектрическая неоднородность их термоэлектродов не оказывает влияния на точность поверки;
- поверке подвергается не только датчик, но и линия связи, а в ряде случаев и вторичная аппаратура.

Идентификация моментов фазового перехода реперных материалов калибратора, определение погрешности датчика или всего измерительного канала в заданной точке диапазона измерения, формирование в процессе измерений корректирующих поправок осуществляются в таких приборах за счет дополнительных структурно-избыточных элементов, входящих в состав измерительной цепи прибора [29].

Таким образом, указанный метод повышения точности температурных измерений следует рассматривать как структурный, и в соответствии с принятой классификацией [17] он может быть определен как метод «образцовых сигналов».

Цель настоящей книги заключается в том, чтобы привлечь внимание широкого круга специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией контактных средств измерения температуры, к возможностям и методологии применения в термометрии структурных методов повышения точности и ознакомить их с достигнутыми практическими результатами в этой области. Материал книги является в основном оригинальным и получен в результате экспериментальных исследований, опытной проверки и обобщения опыта разработки схем устройств для точного измерения температуры, которые на протяжении ряда лет проводились под руководством и при непосредственном участии авторов. Вместе с тем авторы старались осмыслить и активно использовать богатый опыт известных отечественных ученых как в области термометрии (А. Н. Гордов, М. П. Орлова, Б. И. Стаднык и др.), так и в области построения измерительных устройств и систем с коррекцией погрешностей (Т. М. Алиев, М. А. Земельман, Ш. Ю. Исмаилов, П. П. Орнатский, Б. Н. Петров, Ю. М. Туз, М. П. Цапенко, Е. Г. Шрамков и др.).

В гл. 1 книги рассмотрены конструкции калибраторов температуры в составе защитной арматуры промышленных датчиков температуры, выполнен анализ нестационарного теплообмена в симметричных структурах с фазовыми переходами, которые образуют основу тепловых схем калибраторов, приведена методика расчета геометрических параметров калибраторов с применением ЭВМ.

В гл. 2 рассмотрены структурный синтез средств измерения температуры с автоматической коррекцией погрешностей датчиков на основе метода образцовых сигналов, а также дан анализ их инструментальных и методических погрешностей. Здесь же рассмотрены вопросы схемотехники устройств идентификации момента фазового перехода калибратора температуры и устройств автоматической коррекции погрешностей измерительного канала по результатам калибрования в аналоговых и цифровых измерительных преобразователях.

В гл. 3 описаны измерительные системы, аналоговые и цифровые приборы, в которых существенное повышение точности измерения достигнуто за счет калибрования и автоматической коррекции погрешностей измерительного канала.

Авторы выражают глубокую благодарность заслуженному деятелю науки и техники УССР д-ру техн. наук, проф. Б. И. Блажкевйчу за ряд ценных рекомендаций при обсуждении материала, изложенного в данной книге.

Книга, по всей вероятности, не свободна от недостатков. Поэтому авторы будут весьма признательны за критические замечания, пожелания и советы, направленные на улучшение ее содержания.

Авторы

Скачать книгу "Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами". Москва, Энергоатомиздат, 1986

143502 МО, г.Истра-2, ул. Заводская, 43А. Тел. (49631) 4-66-21. E-mail: toroid2011@mail.ru