Таблица 14.39. Структурные схемы коррекции погрешности от нелинейности ИПТ

Структурная схема

1 F(i}

Статическая характеристика

Уравнение погрешности

F(t)

Fit)-и.

f (О t

dF(() dt

С =

л = + F X X (l + y ) -

Д/f (О = /= (О -

Ф (О = - А (О

2=ЛГ

г = + (\ + + Ун) (1 + 5ф) X X бр. - у бф;

= А [f- (601;

d(i>(U) . --5бГ-

X (1 -f Ун) -

Z К

riO(Z) .

Основные структурные схемы, статические характеристики и погрешности, возникающие при реализации алгоритмов линеаризации функций пре-образоваиня ИПТ в схемах цифровых приборов, приведены в табл. 14.39.

Включение функционального преобразователя в прямую цепь и цепь обратной связи приводит к тому, что погрешности таких преобразователей полностью входят в погрешность преобразования информативного сигнала ИПТ. Поэтому такое включение обусловливает высокие требования к метрологическим характеристикам последних. Поскольку точность функциональных преобразователей, как правило, ниже, чем точность линейных преобразователей, то метрологические характеристики приборов для измерения температуры определяются в основном точностью функциональных преобразователей.

14.6. Обеспечение помехоустойчивости измерений температуры

Протяженность линий связи и эксплуатация приборов в условийх работы энергетического оборудования приводят к возникновению помех в каналах преобразования термометрической информации. Свойство при-<5оров осуществлять измерение лишь информативного параметра сигнала прн воздействии помех характеризует его помехоустойчивость. Для обеспечения помехоустойчивости измерений используются методы, уменьшающие в определенной степени действия помех на тракт измерения, и методы усредняющих алгоритмов преобразования сигнала с помощью ВП.

Электромагнитные наводки, термоэлектрические и контактные ЭДС приводят к возникновению помех нормального вида .(поперечная помеха), которые действуют в измерительной цепи как источники, включенные последовательно с источинком измеряемого сигнала. Помехи общего вида (продольная помеха) возникают вследствие наличия эквипотенциальности точек заземления источника полезного сигнала и средства измерения. Помехи общего вида не суммируются непосредственно с измерительными сигналами, однако при определенных соотношениях между сопротивлениями линии связи, изоляции источника сигнала и ВП превращаются в помехи нормального вида. Влияние помехи общего вида сильно зависит от способа подключения ИПТ к ВП. Возможны следующие варианты

подключения ИПТ к ВП; 1) ИПТ и ВП заземлены; 2) ИПТ заземлен, входные зажимы ВП не имеют непосредственного соединения с корпусом, а связаны с ним лишь через сопротивления изоляции и паразитные емкости; 3) ИПТ не заземлен, а один входной зажим ВП заземлен и соединен с корпусом ВП.

Эквивалентная схема, поясняющая влияние источников помех общего £ и нормального £ вида с внутренними сопротивлениями и представлена на рис. 14.21, где обозначено: Ut Rt - выходное напряжение и внутреннее сопротивление ИПТ; Z - полное входное сопротивление ВП; i? 3 и Сп - сопротивление изоляции и паразитная емкость измерительной цепи; и i?j,2 ~ сопротивление проводов линии связи.

В случае заземленных ИПТ и ВП помеха общего вида почти полностью превращается в помеху нормального вида, значение напряжения которой при Zg > R определяется формулой

£и.о =

r,+R.

При незаземленном ИПТ значение напряжения помехи нормального вида прн Zgj; равно

где = ? з/1 + пСпиз - эквивалентное сопротивление между зажимом Н и корпусом прибора; (Оп - круговая частота напряжения помехи.

Использование третьего варианта подключения ИПТ к ВП приводит к появлению помехи нормального вида, такой же, как и в первом случае.

Для защиты от помех общего вида следует ограничивать число соединений с землей, осуществлять соединение в специально выбранной точке, проводить экранирование, гальваническую развязку ИПТ и ВП, симметрирование измерительной цепи и компенсацию помех [174, 191, 726].

На рис. 14.22 показана эквивалентная схема экранированной входной цепи ВП. Соединением экрана измерительной цепи и экрана проводов линии связи достигается эквипо-тенциальиость точек Н и Э и, как следствие, уменьшение тока через сопротивление i?j,2, вызванного напряжением помехи общего вида £ . Эквивалентная емкость цепей утечек, по которым протекает ток, лвызванный помехой £о. при наличии экрана резко уменьшается. Если ИПТ не имеет иепосредствеяиого контакта с объектом, связь между ними все же осуществляется посредством паразитных емкостей и сопротивлений изоляции между объектом и чувствительным элементом ИПТ. При высоких температурах сопротивление изоляции между чувствительным элементом и защитной арматурой падает, что при наличии высокого уровня помех необходимо учитывать.

Экранирование внешних по отношению к ВП цепей позволяет в определенной мере осуществить защиту от электростатических, электромагнитных и магнитных полей. Эффективность экранирования зависит от материа-

Рис. 14.21. Эквивалентная влияния помех

схема

ла и конструкции экрана. Стальная оплетка, например, диаметром 20 мм уменьшает наводку в 20 раз, а стальная труба того же диаметра - в 100 раз. Медный сплошной экран ослабляет электростатическое поле приблизительно в 100 раз, а экран из медной сетки (оплетки) - в 40 раз.

Магнитные и электростатические экраны эффективны при защите от статических и медленно изменяющихся полей (сотни герц). При высокочастотных помехах следует применять электромагнитное экранирование из немагнитных и ферромагнитных материалов. Чем выше удельная проводимость и магнитная проницаемость материала экрана, тем больше экранирующий эффект. Так, на частоте 20 кГц при толщине экрана 0,1 мм мед-

Исследуемый одъект

Экран

{Корпус

<W2

Рис. 14.22. Схема экранированной входной цепи ВП

иын экран ослабляет электромагнитное поле в 8 раз, алюминиевый - в 5 раз, стальной - в 2 раза, на частоте 100 кГц соответственно в 40; 23 и 8 раз 1174, 726].

Экранирование ПТ осуществляется из того же материала, что и термоэлектроды. Экраны соединяются в точке горячего спая ПТ. При этом автоматически поддерживается нулевая разность потенциалов между экраном и электродами по всей их длине. Это позволяет уменьшить влияние утечек по всей глубине погружения ПТ и температуре эксплуа- [11л1Г б/7]

тации. /77 Г г* -1 1

Компенсация электромагнит- Са- -

ных помех переменного тока осуществляется в специальном трехапектродиом ПТ с устройством компенсации наводок (рис. МГ.23). Один из термоэлектродов подключен ко входу ВП через обмотку трансформатора (Тр), а два других - к обмотке #i. Перавенный ток наводится одновременно волсех трех термоэлектродах и соединительных проводах. Так как напряжения помех в обмотках Wi и противоположны по знаку, то соответствующим выбором коэффициента трансформации трансформатора добиваются их равенства нулю. Компенсация помех осуществляется также путем симметрирования входных цепей ВП, что однако, не всегда обеспечивает полную симметрию схемы. Кроме того, введение дополнительных активных и пассивных компонентов в схемы

t±i I

Рис. t4.23. Схема компенсации наводок с помощью трехэлектродиого ПТ

ВП снижает их статическую точность. Однако в ряде случаев, когда другие меры защиты не обеспечивают требуемого уровня, применение симметрирования входных цепей ВП является обязательным, что иногда приводит к необходимости производить изменение в схеме прибора.

Эффективным способом борьбы с электромагнитными наводками является скручивание проводов линий связи, при котором на различных шагах скрутки наводятся ЭДС противоположных знаков, которые в результате взаимно компенсируются. Скрутки необходимо выполнять так, чтобы на длине линии укладывалось четное число скруток и обеспечивалась их одинаковая конфигурация. Уменьшение шага скрутки приводит к ослабеванию действия помех.

Гальваническое разделение элементов измерительных цепей позволяет сильно ослабить действие помех. Однако оно просто реализуется лишь на переменном токе с помощью разделительных трансформаторов. Если измерительный сигнал представляет собой напряжение постоянного тока, следует применять преобразование его в переменный ток с последующим обратным преобразованием.

В цифровых приборах гальваническая развязка между цепями аналогового и цифрового преобразования и внешними управляющими сигналами осуществляется с помощью импульсных трансформаторов или оптронов. В электронных приборах, питаемых от сети переменного тока, для уменьшения помехи общего вида необходимо тщательно экранировать обмотки цепей питания силового трансформатора для уменьшения емкостной связи между ними.

Если тракт измерения содержит ряд узлов (например, первичный преобразователь, унифицированный преобразователь, вторичный показывающий прибор, цепи регулирования, управления, регистрации и т. п.), необходимо тщательно осуществлять их совместное заземление. Силовые цепи питания и измерительные цепи должны иметь различные шины, которые могут быть соединены лишь в одной точке.

В многоканальных приборах для уменьшения влияния взаимных помех необходимо осуществлять полностью независимую коммутацию каждого канала в отдельности, в том числе и цепей питания ИПТ (в случае ТС) и нулевых шин.

Осуществление мер защиты не исключает полностью влияния помех на измерительную цепь ВП, на вход которого вместе с полезным сигналом поступает сигнал эквивалентной помехи нормального вида. Для подавления таких помех используются фильтры и схемы ВП с усреднением преобразования. В аналоговых приборах вследствие их низкого быстродействия помехоустойчивость обеспечивается интегрирующими свойствами измерительных механизмов.

В электронных приборах и преобразователях эффективно применение интегрирующих преобразователей. Однако в простейшей схеме преобразователя двухтактного интегрирования (рис. 14.17) эффективно лишь подавление помех с дискретным спектром, в частности сетевых помех. При фиксированном времени интегрирования, равном номинальному значению периода помехи, достигается подавление помехи 40 дБ при отклонении ее частоты от номинального значения на 1* %. Д-ля лучшего подавления помех используются методы подстройки длительности интегрирования под период помехи, достигающей в этом случае 60...70 дБ.

Необходимость осуществления линеаризации функций преобразования ИПТ предопределяет использование функционального преобразователя, которое (если его включить в тракт преобразования сигнала с помехой) приводит к расширению спектра помех. В этих случаях функциональный преобразователь необходимо включать после узлов, обеспечивающих помехоустойчивость преобразования, и использовать алгоритмы весового усреднения [155, 156, 235, 256, 1007].

Сущность весового усреднения заключается в вычислении интеграла [1551

I lXiT)-{.U {T)]g(i)dT,

где X (т) - измеряемый сигнал, искаженный помехой (т); g (т) - весовая функция, удовлетворяющая условиям финитностн, нормировки и четной симметрии на интервале усреднения. Коэффициент подавления помех

/(n = -201g

определяется Т/2

модулем спектральной характеристики G

= 2 g (О cos штйт весовой функции и не зависит от амплитуды и фазы о

помехи [1551.

Алгоритм весового усреднения осуществляется согласно приведенному выражению в аналоговой части прибора косвенно, путем организации кусочно-ступенчатых весовых функций коммутацией резисторов. Синтез весовых функций с различной спектральной характеристикой обеспечивает подавление помех в широкой полосе частот.

14.7. Поверка ВП

При поверке экспериментально устанавливается соответствие характеристик средств измерения допускаемым значениям. Основной характеристикой средства измерения является его класс точности как обобщенная характеристика, определяемая пределами основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами приборов, влияющих на точность.

Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей ВП определенного класса точности устанавливаются в виде абсолютных, приведенных или относительных погрешностей в зависимости от характера нх связи с измеряемой величиной. Основная погрешность присуща прибору в нормальных условиях эксплуатации, когда значения влияющих величин находятся в пределах нормальной области значений. Дополнительная погрешность прибора возникает вследствие воздействия на него значений влияющих величин в рабочих условиях применения прибора. Обозначение классов точности по ГОСТ 8.401-80 приведено в табл. 14.40.

Нормирующее значение Хд, для приборов с односторонней шкалой равно верхнему пределу измерения, для приборов с двусторонней шкалой (е-кулем в пределах шкалы) - сумме абсолютных значений верхнего и нижнего пределов измерения, для приборов с безнулевой шкалой - разности верхнего и нижнего пределов измерения. Пределы измерений ВП определяются в единицах выходного информативного параметра ИПТ - сопрогивлеиия, ЭДС, напряжения, тока. .

Нормальные условия имеют следующие значения влияющих величин; температура окружающего воздуха (20 ± 2) С для приборов классов точности 0,25; 0,5; 1,0 и (20 ± 5) °С для приборов класса 1,5; относительная влажность воздуха 30...80%, отсутствие вибрации, трения, ударов; отклонения напряжения питания сети не более чем на ±2 % номинального значения прн максимальном коэффициенте высоких гармоник не