Разработка методики автоматизации процесса измерения температуры в печи универсальной испытательной установки УМЭ-10ТМ. 
Метрологические характеристики уста

1. Исходные данные для курсового проектирования

2. Выбор датчика температуры. Разработка функциональной схемы измерительного канала

2.1. Датчик температуры

2.2 Структурная и функциональная схемы измерительного канала

3. Настройка программного обеспечения

4. Оценка погрешностей измерения

4.1 Оценка случайной погрешности

4.2 Оценка систематических погрешностей

4.3 Классы точности измерительных приборов

Приложения

1. Исходные данные для курсового проектирования

Диапазон рабочих температур печи: 400єС — 1000єС. Погрешность измерения не более 1% от реального значения температуры.

Для снятия, обработки и регистрации данных эксперимента используется программный комплекс ACTest.

2. Выбор датчика температуры. Разработка функциональной схемы измерительного канала

2.1. Датчик температуры

Условия работы являются неблагоприятными. Рабочие температуры печи весьма высоки, а режимы работы тяжелые (эксперимент может длиться несколько суток). Кроме того нагрев происходит одновременно с испытанием на растяжение/сжатие. Ввиду выше сказанного — датчик может быть выведен из строя, поэтому необходимо предусмотреть возможность неоднократной замены датчика в будущем. Значит нужно выбрать недорогой датчик, максимально простой конструкции, который может работать в данном диапазоне температур. Оптимальным вариантом является термопара. Она надежна в использовании, и ввиду невысокой стоимости не представляется труда заменить вышедшую из строя термопару на новую.

Чтобы выбрать конструкцию и материал термопары, воспользуемся таблицами 1 и 2.

Таблица 1 — Основные конструкции термопар и области их применения Таблица 2 — Основные типы термопар и их параметры Проанализировав данные, приведенные в таблице, выбираем изолированную термопару в керамической оболочке типа ТХА (хромель-алюмель). Она представлена в стандартном ряду ГОСТ и имеется в отечественном производстве. Она выигрывает в цене и соответствует заявленным требованиям точности измерения, хотя и уступает по точности термопарам из платины и платино-родиевым термопарам, однако При использовании термопары, нам необходим дополнительный датчик для измерения температуры холодного спая (рисунок 1).

Рисунок 1 — Техника компенсации холодного спая Для измерения температуры нерабочего спая термопары используем термометр сопротивления платиновый ТСП50. Платиновый термометр сопротивления — надежный, компактный, точный датчик температуры.

2.2 Структурная и функциональная схемы измерительного канала

Термометр сопротивления подключаем по четырехпроводной схеме, так как в этом случае питание чувствительного элемента током возбуждения производится с помощью одних проводов, а измерение разности потенциалов на элементе — с помощью других (рисунок 2), а следовательно влияние сопротивления всех проводов полностью исключается.

Ut = Uизм Рисунок 2 — Четырехпроводная схема включения термометра сопротивления Термопара и термометр сопротивления подключаются к АЦП через кроссировочную плату PCLD-14 производства фирмы L-Card.

В качестве АЦП используется плата Е-270 производства фирмы L-Card. Выбираем плату фирмы L-Card, так как она может быть интегрирована с программным комплексом ACTest. Кроме того она не уступает по качеству зарубежным аналогам, сильно выигрывая в цене.

Плата АЦП Е-270 подключается к персональному компьютеру через USB.

С целью повышения точности измерений, а следовательно, и качества работы испытательной установки, в измерительную цепь включаются усилитель сигнала термопары и усилитель сигнала термометра сопротивления.

Выбираем усилители модели DSCA40−02 и DSCA40−03 поставляемые фирмой Prosoft. Данные усилители максимально просты в исполнении, надежны в работе и удобны в использовании. Внешний вид усилителей показан на рисунке 4.

Рисунок 4- Нормирующие усилители DSCA40−02 и DSCA40−02

Основные технические характеристики усилителей DSCA34 и DSCA40 приведены соответственно в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

Таблица 4

датчик температура погрешность измерительный Структурная и функциональная схемы измерительного канала показана на рисунке 5 и 6 соответственно.

Рисунок 5 — Структурная схема Рисунок 6 -Функциональная схема

3. Настройка программного обеспечения

Запустить модуль ACTest Composer. Для создания нового сценария выбрать команду главного меню Сценарий" Создать новый сценарий" (рисунок 7).

Рисунок 7

Для настройки параметров сценария нужно открыть закладку «Сценарий» (рисунок 8), после чего. В поле «Название» введем название эксперимента «Измерение температуры в печи установки УМЭ-10ТМ». Зададим время макрокадра равное 1000 мсек.

" Время макрокадра" - это продолжительность кванта времени, по прошествии которого производится передача данных от устройства сбора данных в память программы для их обработки, визуализации и регистрации.

Рисунок 8

Для создания каналов сбора данных необходимо загрузить из файла устройств первичные данные о каналах (диапазон канала, тарировка, и т. д.) и устройствах. Файл устройств представляет собой список измерительных каналов (цифровых, частотных, аналоговых), выходных каналов (цифровых, ЦАП) и/или расчетных каналов (в случае передачи по сети) с данными по ним. В файле устройств хранятся параметры устройств сбора, список измерительных каналов и их тарировочных коэффициентов.

Загрузка файла устройств осуществляется командой главного меню СценарийЗагрузить новый файл устройств (рисунок 9).

Рисунок 9

В окне модуля подготовки и проведения эксперимента ACTest Composer должны быть настроены каналы сбора данных (рисунок 10) — каналы для снятия показаний термопары и термометра сопротивления. Параметры сбора настраиваются в закладке Каналы (вход).

Важно отметить, что данные поступают к пользователю, пройдя через блок встроенный тарировки, в котором учитывается измерительный ток на термометре сопротивления (1,6мА) и коэффициенты усилителей (прописано в файле устройств). То есть с термопары приходит значение сигнала в милливольтах, а с термометра сопротивления — в Омах.

Рисунок 10

Для пересчета получаемых данных в градусы Цельсия используются встроенные расчетные функции. Окна создания расчетных каналов для пересчета показаний термопары и термометра сопротивления показаны на рисунках 11 и 12 соответственно.

Рисунок 11

Рисунок 12

Для получения фактического значения температуры в печи, показания датчиков складываются, для этого также создается расчетный канал (рисунок 13).

Рисунок 13

4. Оценка погрешностей измерения

4.1 Оценка случайной погрешности

При обработке результатов измерения величины, которая имеет определенное значение, но в результате влияния различных случайных факторов измеряется нами с некоторой случайной ошибкой, возникает задача — используя конечный набор эмпирических данных, полученных в выборке из n измерений, найти «наилучшее» значение оценки xприб точного (истинного) значения измеряемой величины xист и определить точность наших измерений. Для оценки истинного значения измеряемой величиныxист используется выборочное среднее значение (среднее арифметическое по выборке):

(1)

В качестве наилучшей оценки случайной погрешности отдельного измерения принимается выборочное стандартное отклонение результата отдельного измерения (среднеквадратичное отклонение результата отдельного измерения):

(2)

При увеличении числа измерений n величина sn стремится к константе.

В случае нормального закона распределения погрешностей измерения, вероятность того, что измеряемая величина лежит в интервале xист —? ? x? xист +?, определяется выражением:

где введены обозначения:

— среднеквадратичное отклонение (стандартное отклонение). Значения интегралов для различных t вычислены и приведены в соответствующих справочниках. Например при t=1 (?=), вероятность P (t)=0.683; для t=2 (?=2), P (t)=0.955; для t=3 (?=3), P (t)=0.997.

Таким образом задавая интервал (доверительный интервал) xист —? ? x? xист +?, можно по формуле (7) вычислить вероятность (достоверность) P= P (t) попадания измеряемой величины в заданный интервал.

На практике часто возникает обратная задача; при заданной вероятности P надо найти доверительный интервал ?=t (P)??. Тогда результат обработки результатов измерений записывается в следующем виде:

Среднеквадратичная ошибка среднего и распределение Стьюдента Хотя оценка величины погрешности одного измерения xi и представляет интерес, тем не менее гораздо важнее знать с какой точностью значение, найденное нами из некоторой выборки, соответствует истинному значению искомой величины xист. Поскольку найдено из ограниченного числа измерений, то повторяющиеся серии измерений давали бы нам новые значения. То есть, эмпирические средние тоже являются случайной величиной и их поведение можно описать некоторой функцией распределения относительно величины математического ожидания со своей дисперсией sx. Теория показывает, что если определено из n измерений, то выборочное стандартное отклонение среднего арифметического (среднеквадратичная погрешность среднего значения) определяется как:

Выражения (4−6) получены для конечного числа измерений n. Поэтому плотность вероятности распределения погрешностей измерений () отличается от нормального (Гаусового) закона распределения, справедливого при n>?. Закон распределения погрешностей измерений при конечном значении n называется t-распределением или распределением Стьюдента. В этом случае значения коэффициентов t будут зависеть не только от вероятности P, но и от числа измерений n, т. е. t=t (P,), где =n-1. Значения коэффициентов t (P,) приведены в соответствующих справочниках и называются коэффициентами Стьюдента.

Задавшись определенной доверительной вероятностью P и числом измерений n можно по таблице (см. Приложение А) найти коэффициенты Стьюдента t (P,) и определить доверительный интервал:

?(P,)=t (P,)sx (3)

Зная выборочное среднее значение измеряемой величины и доверительный интервал ?(P,) можно написать результат оценки истинного значения измеряемой физической величины:

(4)

Для нахождения среднего значения воспользуемся функцией «Среднее значение за макрокадр» (рисунок 14).

Рисунок 14

Для нахождения среднеквадратичного отклонения отдельного измерения создадим новый расчетный канал на базе встроенной функции «Среднеквадратическое отклонение за макрокадр» (рисунок 15). Назовем его SKO_Ti.

Рисунок 15

Для нахождения среднеквадратичного отклонения среднего значения нужно полученный результат умножить на. В нашем случае N — количество значений, полученных за макрокадр.

Опрос каждого измерительного канала производится с частотой 100Гц, время макрокадра составляет 1000 мсек, следовательно значение N можно найти по формуле:

N=100Гц•1000мсек = 100 (5)

По таблице ПРИЛОЖЕНИЯ, А определим значение коэффициента Стьюдента. Для доверительной вероятности P=99,73% и n-1=999, коэффициент Стьюдента равен 3.

Теперь мы можем вычислить значение доверительного интервала. Для этого создадим новый расчетный канал, назовем его DeltaT (рисунок 16).

Рисунок 16

Теперь мы можем оценить истинное значение температуры по формуле (4).

4.2 Оценка систематических погрешностей

В результатах любого измерения присутствуют также систематические погрешности. Систематические погрешности, также как и случайные, удобно оценивать с помощью стандартных отклонений.

Поскольку измерения проводятся в автоматическом режиме, то из расчета исключаются погрешность округления и субъективная погрешность. В качестве оценки систематической погрешности примем погрешность прибора. В нашем случае погрешность платы сбора данных Е-270.

Для оцифровки данных в плате используются два модуля серии Н-27Х:

— для оцифровки сигнала с термопары Н-27Т. Диапазон измерения: −25…+75 мВ; предел основной приведенной (к конечному значению диапазона измерения входного сигнала) погрешности: 0,09

— для оцифровки сигнала с термометра сопротивления Н-27R-100. Диапазон измерения 0…100Ом; предел основной приведенной (к конечному значению диапазона измерения входного сигнала) погрешности: 0,06. Данные взяты из паспорта изделия.

Стандартное отклонение для оценки погрешности прибора (платы АЦП) найдем по формуле:

(6)

Откуда имеем:

— для термопары;

— для термометра сопротивления;

Для оценки погрешности в градусах Цельсия, воспользуемся таблицами ПРИЛОЖЕНИЯ В.

Коэффициент термоЭДС (мкВ/°С) для термопар типа ТХА в диапазоне температур от 0 °C до 1300 °C равен 35−42мкВ/°С. Возьмем в расчет среднее значение коэффициента 38,5мкВ/°С. Тогда:

.

Температурный коэффициент термометра сопротивления, определяемый как:

(7)

для термометра типа ТСП100 равен =0,391, R0=50.1 Ом. Зависимость сопротивления от температуры окружающей среды в диапазоне от 0 °C до 100 °C можно считать линейной откуда имеем коэффициент термосопротивления (Ом/°С):

(8)

Тогда:

.

Так как сигналы с термопары и термометра сопротивления затем складываются, то суммарное стандартное отклонение для оценки погрешности прибора (платы АЦП) может быть вычислена как:

(9)

4.3 Суммарная (случайная и систематическая) погрешность Для нахождения стандартного отклонения суммарной погрешности от выборочного среднего значения используют формулу:

(10)

гдевыборочное стандартное отклонение среднего арифметического

1. http://www.lcard.ru/

2. Журнал «СТА». В записную книжку инженера. «Измерение температуры: теория и практика», 2009

3. http:// temperatures.ru/

Приложение А

Коэффициенты Стьюдента для различных значений доверительного уровня Р

Приложение В

Основные типы термопар и их характеристики

Основные типы термометров сопротивления и их характеристики