Автоматизация процесса поверки

ВОЗМОЖНОСТЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВО ВРЕМЯ ПРОЦЕССА МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОВЕРКИ ТЕПЛОСЧЁТЧИКОВ

Вступление. Измерение температуры и разницы температур является одной из важнейших процедур во время метрологической поверки общедомовых теплосчётчиков. Контроль абсолютной погрешности термопреобразователей сопротивления (ТС) по ГОСТ 8.461, как правило, осуществляется с помощью потенциометрической установки. Недостатком этого метода является большая трудоёмкость и сложность автоматизации из-за необходимости использования ноль-термостата и парового термостата, стабилизации и измерения значений рабочего тока ТС и подсчёта измеренного значения сопротивления ТС. При наличии, кроме ноль-термостата и парового термостата, ещё и термостата, в котором может быть воспроизведено стабильное во время измерений, но не совсем точное значение температуры по середине между тройной точкой воды и температурой её кипения, измеряют значение сопротивления ТС при этих трёх температурах и значение средней температуры. Из полученной системы трёх уравнений определяют сопротивление R0 при 0 ºС и коэффициенты А и В температурной зависимости сопротивления ТС, из которой могут быть рассчитаны значения любой из температур в диапазоне измерения. Этот метод используется для определения устанавливаемых значений разницы температур во время метрологической поверки.

Достаточно удобным на практике является метод с использованием эталонного ТС, термостата со стабильными, но не совсем точно известными значениями температуры и цифрового омметра или термометра, выход которого подсоединяется к устройству управления (УУ), например, персонального компьютера или микропроцессорного контроллера.

Благодаря освоению серийного производства прецизионных цифровых жидкостных термостатов типа ТСР-0105 НО с  диапазоном термостатирования от 0 до 100 ºС, дискретностью задания значений температуры 0,01 ºС, границей допустимых значений основной погрешности измерения и воспроизведения температуры ±0,02 ºС и возможностью дистанционного управления появились предпосылки к тому, чтобы существенно упростить процедуру автоматизации испытаний ТС во время метрологической поверки теплосчётчиков.

Результат метрологической проверки считается положительным, если абсолютная погрешность ТС с номинальной статической характеристикой (НСХ) Pt 50, Pt 100, Pt 500, Pt 1000 (или другой НСХ, используемой в теплосчётчике) по  ДСТУ 2858-94 отвечала классу точности ("А" или "Б") оговоренному в паспорте на ТС.

Основным недостатком изложенных выше методов метрологической поверки ТС является то, что проверка происходит в неавтоматическом режиме, что уменьшает её продуктивность и объективность.

Постановка задачи исследований. Целью это статьи является анализ путей, разработка способа и структурной схемы для автоматизации испытаний ТС во время метрологической поверки общедомовых теплосчётчиков.

Во время метрологической проверки теплосчётчиков значение погрешности измерения температуры или же разницы температур должно контролироваться в несколько раз точнее границ допустимых значений их погрешностей. Если учесть погрешность поддержания температуры в термостате, то для ТС НСХ Pt 500 класса "А" значение погрешности измерения температуры в диапазоне от 0 до 100 ºС не должно превышать ±[(0,01 … 0,03) … (0,07 … 0,12)] ºС, или ±[(0,02 … 0,06) … (0,20 … 0,34)] Ом, или ±[(0,004 … 0,01) … (0,03 … 0,05)] %. Очевидно, что во время исследования ТС должны подключаться к цифровому омметру (ЦО) только четырёхпроводной лини связи. Такие высокие требования к точности измерения электрического сопротивления Rx  ТС приводят к использованию специальных многоканальных прецизионных омметров.

Обоснование выбора метода измерения сопротивления ТС. Очевидно, что для автоматизации испытаний ТС во время метрологической поверки целесообразно использовать цифровые омметры с приёмом-передачей информации через стандартные интерфейсы. Как правило функция преобразования цифровых средств измерений апроксимируется к следующему уравнению NX=KARX(1+b)+a, где NX - значение кода результата измерения; Ka - коэффициент преобразования сопротивление-код; Rx - значение измеряемого сопротивления ТС; а - аддитивная составляющая погрешности (АСП); b - коэффициент мультипликативной составляющей погрешности (МСП) омметра. Считается, что для удовлетворения сформулированных выше требований к точности, функцию преобразования ЦО необходимо аппроксимировать следующей квадратичной моделью          

Автоматизация процесса  поверки  (1)

где с - коэффициент квадратичной составляющей погрешности (КСП) ЦО.
Неизвестными в соотношении (1) являются четыре составляющих RX, b, c, а, для определения которых необходимо иметь четыре уравнения. Среди всех составляющих погрешности цифровых приборов доминирует, как правило, АСП, для автоматической корректировки которой может использоваться несложный с практической реализации метод модуляции измерительных токов. В результате количество неизвестных в выражении (1) сократится  до трёх. По прошествии времени, и, во время изменений условий окружающей среды, значения коэффициентов b и c могут существенно изменяться. Следовательно, целесообразно предусмотреть периодическую калибровку ЦО с помощью подключения ко входу ЦО четырёхполюсным коммутатором двух внешних прецизионных мер с сопротивлениями RM1 и RM2

Автоматизация процесса  поверки (2)

 

где NM1, NM2 - коды результатов измерения сопротивлений RM1, RM2 внешних мер соответственно.
Из системы уравнений определяем

Автоматизация процесса  поверки  (3)
Автоматизация процесса  поверки (4)

 Значения коэффициентов b и c будут сохраняться в памяти устройства управления омметром и использоваться во время расчёта скорректированных значений измерений кодов преобразования в рабочих условиях эксплуатации. Периодичность калибровки будет определяться скоростью изменения со временем коэффициентов b и c, а так же изменениями условий окружающей среды. Эту периодичность целесообразней всего установить экспериментальным путём для каждого из изготовленных прецизионных многоканальных омметров.

Структура многоканального прецизионного омметра. Комплексу сформулированных выше требований отвечает структурная схема разработанного многоканального прецизионного омметра (см. рис.), в которой реализованы четырёхпроводное подключение измеряемых резисторов Rx1, …, Rxn, метод корректировки АСП с модуляцией измерительных токов I1 и I2. Генератор модуляционных токов ГС реализован на базе операционного усилителя (ОУ) DA1, охваченного отрицательной обратной связью через сопротивление нагрузки и токозадающий резистор Rn. Напряжение модуляции формируется благодаря делению опорного напряжения Eo с помощью делителя ПД поочерёдным соединением его выходов через переключатель SW со входом ОУ DA1. Каждый из n четырёхпроводных измерительных резисторов RX1, …, RXM четырьмя n-входовыми коммутаторами каналов SC1, SP1, SC2, SP2 поочерёдно соединяются с парой токовых С1, С2 и парой потенциальных П1, П2 входов ЦО.

Автоматизация процесса поверки


 
Структурная схема многоканального прецизионного омметра для испытаний термопреобразователей сопротивления

 

Малые значения измерительных токов и падений напряжений на ТС дают возможность выбрать КМДН-ключи для реализации токовых SC1, SC2 и потенциальных коммутаторов SP1, SP2. Кроме того, отсутствие в коммутируемых измерительных контурах остаточных сопротивлений даёт принципиальную возможность реализации коммутатором с небольшими значениями погрешностей. Обратные токи ключей могут повлечь достаточно большие погрешности во время измерения сопротивлений RX1, …, RXM Однако, при помощи коммутации измерительных токов, значение этой погрешности корректируется. С учётом обратных токов ключей коммутаторов значения  входящих напряжений АЦП при разных значениях I1, I2 измерительных токов найдём как

Автоматизация процесса  поверки (5)
Автоматизация процесса  поверки  (6)

 где UAJ1, UAJj2 - входные напряжения АЦП при измерительных токах I1, I2 соответственно, в j-ом включенном канале; Rxj - значение измерительного сопротивления в j-ом замкнутом канале;

Автоматизация процесса  поверки

эквивалентная АСП ЦО; ICJ1, ICJj2 - обратные токи переходов j-ых замкнутых ключей коммутаторов соответственно SC1, SP1; Ivj1, IVJ2, IVJ4 - обратные токи переходов j-ых замкнутых ключей коммутаторов соответственно SC1, SP1, SP2; I+BX, ЕNB - входной ток неинвертируемого входа и напряжение смещения повторителя напряжения ПВ; I-BX, Е2 - входной ток инвертируемого входа и напряжение смещения ОП DA2.

Код результата измерения NJ сопротивления RXJ найдено как разницу кодов NXJ1 и NXJ2 результатов аналого-цифровых преобразований

Автоматизация процесса  поверки (7)
Автоматизация процесса  поверки  (8)
Автоматизация процесса   поверки (9)

 где kAD, ΔA - соответственно, коэффициент преобразования и АСП АЦП.
Значения измерительных токов I1, I2 находят следующим образом

Автоматизация процесса  поверки (10)
Автоматизация процесса   поверки (11)

 где M1, M2 - коэффициент преобразования делителя напряжения ПД; Е1 - эквивалент АСП ОУ DA1.
С учётом (10) и (11) соотношение (9) представим выражением

Автоматизация процесса  поверки  (12)

Проанализировав выражение (12) можно сделать вывод, что результат измерения сопротивления не будет зависеть от АСП тракта и остаточных параметров ключей коммутаторов. При условии обеспечения высоких выходных сопротивлений генератора тока ГТ, входных сопротивлений повторителя напряжения и ОУ DA2 результат измерения электрического сопротивления ТС не зависит от сопротивлений соединительных линий и замкнутых ключей коммутаторов SC1, SP1, SC2, SP2. На сегодняшний день это условие достаточно просто  выполняется на практике.

В структуре ЦО предусмотрена возможность подсоединения двух калибровочных резисторов, периодическое измерение значения сопротивления которых и предложенный алгоритм обработки результатов преобразований дадут возможность скорректировать МСП на КСП разработанного многоканального прецизионного омметра.

Выводы. Разработанная структура прецизионного омметра может быть реализована с использованием современной микроэлектронной базы и информационных технологий для передачи цифровой информации устройству управления ПК.  При условии использования современных персональных компьютеров и соответствующего программного обеспечения разработанная структура может быть использована для автоматизации всех измерений во время испытаний термопреобразователей сопротивления при метрологической поверке общедомовых теплосчётчиков.

  Яндекс.Метрика