Cопряжение датчиков технологических параметров с вторичными приборами, страница 2

Предпочтительным типом градуировочного уравнения любого измерительного прибора является линейная зависимость (линейная шкала), связывающая показания прибора и значения измеряемого параметра:

У= k * Х + b,

где  У – показания прибора (единицы измерения контролируемого параметра);

  Х – значения входного сигнала микроконтроллера, (%) ;

  k и b – соответственно угловой коэффициент и смещение в грудуировочном уравнении.

Примечание: все свои входные сигналы Х  микроконтроллер оцифровывает в % (путем нормирования) в диапазоне от 0 до 100 %  (т.е., если подключить, например, на вход a  микроконтроллера сигнал с напряжением 1В, то микроконтроллер воспримет этот сигнал как число 50 %).

Для расчета грудуировочного уравнения необходимо:

1) оценить значения выходного сигнала датчика технологического параметра (на нижнем и верхнем пределах диапазона измерения): X_min (В или мА) и X_max (В или мА);

2) рассчитать значения электрического сигнала на используемом входе микроконтроллера (при прямом подключении или при использовании каких либо согласующих элементов): U_min (В) и U_max (В);

3) рассчитать значения входного нормированного сигнала микроконтроллера: X_min (%) и X_max (%);

4) составить систему линейных уравнений градуировочной зависимости, связывающей нижний и верхний пределы диапазона измерения:

      У _min =  k * Х _min(%) + b;

    У _max = k * Х _max(%) + b,

где  У _min и У _max – требуемые (заданные) показания измерительного прибора на нижнем и верхнем пределах диапазона измерения;

   X _min (%) и X _max (%) – расчетные (прогнозируемые) значения входного нормированного сигнала микроконтроллера на нижнем и верхнем пределах диапазона измерения;

5) из решения составленной системы уравнений вычислить значения  k и b и записать грудуировочное уравнение в окончательном виде (для его последующей программной реализации).

 Примеры расчета градуировочного уравнения:

Пример 1: Контрольно-измерительный прибор давления.

Условия задачи:

1. Диапазон измерения  давления: P _min =40 кПа,  P _max 80 кПа.
2. Датчик давления - с выходным унифицированным токовым сигналом 4-20 мА.
3. Используемый вход микроконтроллера – потенциальный 0-2 В постоянного тока.

Решение задачи:

1)значения выходного сигнала датчика:

I _min = 4 мА;  I _max=20 мА;

2) значения напряжения на используемом входе микроконтроллера (при сопряжении датчика с микроконтроллером необходимо использовать параллельное включение резистора R=100 Ом):

U _min = I _min * R = 4 *100= 400 мВ; U _max = I _max * R= 20 *100= 2000 мВ;

3) значения входного нормированного сигнала микроконтроллера (в %):

X _min =20 %;  X _max = 100%;

4) система линейных уравнений для рабочего диапазона измерения:

40 кПа = k * 20 % + b;   (1)

120 кПа = k * 100 % + b  (2)

Из (1) : b = 40-20 * k;

Из (2) : k = (80-40) / 80;

    b = 30;  k = 0,5;  

5) градуировочное уравнение в окончательном виде:  У= 0,5 * Х + 30.

Проверка:  40 = 0,5*20+30;

    80 = 0,5*100+30.

Пример 2: Контрольно-измерительный прибор температуры.

Условия задачи:

  1.Диапазон измерения  температуры: T _min =100 ⁰ C,  T _max = 600 ⁰ C.

  2. Датчик температуры – термопара градуировки ХК.

3. Используемый вход микроконтроллера – потенциальный 0-1 В постоянного тока.

Решение задачи:

1) значения выходного сигнала датчика (см. НСХ  ТХК):

E _min = 8,18 мВ;  E _max = 49,09 мВ;

2) значения напряжения на используемом входе микроконтроллера (при прямом подключении термопары):

U _min = 8,18 мВ;  U _max = 49,09 мВ;

3) значения входного сигнала микроконтроллера (в %):

X _min =0,818 %;  X _max = 4,909 %;

4) система линейных уравнений для рабочего диапазона измерения:

100⁰ С = k * 0,818 % + b;   (1)

600⁰ С = k * 4,909 % + b  (2)

Из (1) : b = 100 - 0.818 * k;

Из (2) : k = 500 / 4,091 ;

   k = 122,22;   b = 0,02;

5) градуировочное уравнение в окончательном виде:  У= 122,22 * Х + 0,02.

Проверка:   100 = 122,22*0,818 +0,02;

   600 = 122,22*4,909+0,02.

Пример 3: Контрольно-измерительный прибор температуры.

Условия задачи:

  1. Диапазон измерения  температуры: T _min = 0 ⁰ C,  T _max = 500 ⁰ C.

2. Датчик температуры – термометр сопротивления платиновый  градуировки 100П  (W₁₀₀ = 1.391).

3. Ток питания термометра сопротивления (4-х проводная схема включения):   I_пит = 3мА;

4. Используемый вход микроконтроллера – потенциальный 0-2 В постоянного тока.

Решение задачи:

1) значения выходного сигнала датчика (см. НСХ  ТСП гр. 100П):

R = ((W₁₀₀ - 1)*R₀) / 100) * T + R₀;

R _min = R₀  =100 Oм;  R _max = ((1,391 - 1)*100) / 100) * 500 + 100 =295,5 Ом;

2) значения напряжения на используемом входе микроконтроллера (при 4-х проводной схеме включения датчика):

U = I_пит * R_тс ;

U _min = 3* R _min = 3*100 = 300 мВ;  U _max = 3* R _max = 3 * 295,5 = 886,5мВ;

3) значения входного сигнала микроконтроллера (в %):

X _min (%) =15 %;  X _max (%) = 44,325 %;

4) система линейных уравнений для рабочего диапазона измерения:

0⁰ С = k * 15 % + b;   (1)

500⁰ С = k * 44,325 % + b  (2)

Из (1) : b = -15  *  k;

Из (2) : k = 500 / 29,325 ;

    b = -255,75; k = 17,05;   

5) градуировочное уравнение в окончательном виде: У= 17,05 0* Х – 255,75.

Проверка:   0 = 17,05*15 – 255,75;

  500 = 17,05*44,325 – 255,75.

Примечание. При построении контрольно-измерительного прибора в целом необходимо дополнительно (перед расчетом градуировочного уравнения) приводить конкретную схему подключения датчика к вторичному прибору (микроконтроллеру), а также номинальную статическую характеристику датчика  для рабочего диапазона измерения.