Измерительные преобразователи и приборы. Структура цифровых измерительных преобразователей.

Подобно аналоговым вторичные цифровые приборы могут быть показывающими, показывающими и регистрирующими. В обоих случаях они могут выполнять дополнительные функции по сигнализации отклонений измеряемой величины, ее регулированию, преобразованию в токовый или цифровой выходные сигналы. К числу показывающих цифровых приборов относятся устройства многоканальной сигнализации УМС, которые осуществляют циклический контроль температуры в 16 точках. Приборы работают с платиновыми и медными термопреобразователями сопротивления. На дисплее прибора высвечиваются номер контролируемой точки и значение измеряемой температуры в цифровой форме, результаты сравнения измеряемых температур с уставками трехпозиционной сигнализации: «Мало», «Норма», «Много». УМС также преобразуют значение измеряемой температуры в унифицированный токовый сигнал 0...5 мА, производя линеаризацию градуировочной характеристики термопреобразователей. Диапазоны измерения составляют 0...200 °С и 0...800 °С, последний диапазон используется при работе с термопреобразователями градуировок 50П и 100П. Основная приведенная погрешность по показаниям и преобразованию составляет ± 0,5 %, по сигнализации ± 0,6 %. Время цикла автоматического опроса не превышает 60 с, возможен опрос в неавтоматическом режиме.

Структурная схема УМС представлена на рис. 1. Термопреобразователи сопротивления ТС подключены к прибору по трехпроводной схеме и питаются стабилизированным током. Коммутатор поочередно подключает термопреобразователи к измерительному усилителю ИУ и аналого-цифровому преобразователю АЦП. На дисплее прибора высвечивается цифровое значение температуры ЦИ и технологическая информация ТИ о срабатывании устройства сигнализации УСг. Цифроаналоговый преобразователь ЦАП создает на выходе прибора унифицированные токовые сигналы 0...5 мА, пропорциональные значениям каждой из измеряемых температур.

Рис. 1. Структурная схема устройства многоканальной сигнализации температуры

Структура микропроцессорных цифровых регистрирующих при-боров существенно сложнее структуры, рассмотренного прибора. Это связано с их более широкими функциональными возможностями. Так, «Метран-900», структурная схема которого представлена на рис. 2, состоит из двух блоков: коммутации и цифровой регистрации.

Рис. 2. Структурная схема цифрового прибора «Метран-900»

К блоку коммутации может подключаться до 12 первичных преобразователей: термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических, с унифицированным выходным сигналом и сигналом взаимной индуктивности. На рис. 2 показаны варианты подключения термопреобразователей сопротивления по четырехпроводной и трехпроводной схемам. Термопары подключаются к коммутатору термоэлектродными проводами к клеммам, соответствующим градуировке термопар. Введение поправки на изменение температуры свободных концов производится с помощью специализированной микросхемы, которая обеспечивает введение температурной компенсации в диапазоне изменения температуры свободных концов от -55 до 125 °С с погрешностью от +0,3 до ±2 °С в зависимости от типа термопары и температуры свободных концов. Скорректированный сигнал термопар усиливается.

Для коммутации входных сигналов используется мультиплексор (Ком), который осуществляет поочередное подключение сигналов первичных преобразователей к шестнадцатиразрядному аналого-цифровому преобразователю. Цифровой сигнал с выхода АЦП поступает на сигнальный процессор с тактовой частотой 16 МГц, создаваемой внутренним импульсным генератором. К процессору подключено внешнее постоянное запоминающее устройство ПЗУ и микросхема MRS, обеспечивающая передачу информации по интерфейсу RS-485 на регистратор. Блок коммутации по каждому каналу имеет цифровой фильтр, в блоке производятся такие операции как линеаризация сигналов, их масштабирование, извлечение квадратного корня и др. Настройка каналов коммутатора производится с помощью переносного пульта управления, подключаемого к специальному разъему. Блок коммутации может использоваться как самостоятельное устройство для преобразования аналоговых сигналов первичных преобразователей в цифровой код. Регистратор может находиться на расстоянии до 1500 м от блока коммутации, размещаемого вблизи первичных преобразователей. Такая техническая реализация «Метран-900» обеспечивает существенное снижение расхода проводов, поскольку от коммутатора к регистратору идет только одна витая пара.

Регистратор «Метран-900» высвечивает информацию на жидкокристаллическом дисплее (рис. 3, а), производит ее запись и хранение в энергонезависимой памяти в течение 33 суток, выводит данные за требуемый интервал времени на дисплей (рис. 3, б), имеет для печати вывод в интерфейсе RS-232 или RS-485, выдает сигнал аварийной сигнализации. Периодичность регистрации может назначаться оператором в пределах от 5 до 48 с. Предел приведенной погрешности «Метран-900» при измерении токового сигнала составляет ±0,1; ±0,2%, сигнала взаимной индуктивности ±1 %, сопротивления термопреобразователя ±0,1 %, сигнала термопары в зависимости от диапазона измерения от ± 1 °С (-270...400 °С) до ±5 °С (0...2500 °С).?

Рис. 3. Изображения на экране регистратора «Метран-900» в режиме индикации текущих значений (а) и в режиме хронологии изменений величины в течение часа (б)

В упомянутых ранее «Технографах 160» результаты измерений представляются и регистрируются на диаграмме в аналоговом или цифровом виде. Эти приборы, так же как и «Метран-900», могут работать с термопреобразователями сопротивления и термоэлектрическими преобразователями с унифицированными сигналами по постоянному току и напряжению. «Технограф 160» имеет 12 измерительных каналов. Эти приборы обеспечивают:

•             индикацию измеряемой величины на цифровом табло;

•             аналоговую и цифровую регистрацию измеряемого параметра на диаграммной ленте в циклическом режиме;?

•             преобразование входного сигнала в цифровой код для обмена по интерфейсу RS-232;

•             сигнализацию о выходе измеряемой величины за пределы заданных значений;

•             извлечение корня квадратного и суммирование при измерении расхода по перепаду давления на сужающем устройстве.

Термопреобразователь сопротивления, через который протекает стабилизированный ток до 5 мА, подключен к вторичному прибору по четырехпроводной схеме (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема регистратора «Технограф 160»

Подключение термопар производится термоэлектродными удлиняющими проводами. Коммутатор на герконовых реле Ком с частотой 1 Гц подает сигналы на нормирующий усилитель УНор, который обеспечивает на выходе сигнал 1 В на диапазон измерения. После аналого-цифрового преобразователя АЦП двойного интегрирования цифровой сигнал поступает на микропроцессор МП. Его интерфейс включает блок цифровой индикации БЦИ, цифроаналоговый преобразователь ЦАП с блоком аналоговой и цифровой регистрации БР, модем RS-232 и устройство сигнализации отклонений УСг типа «сухой контакт». Управление работой всех элементов и ее синхронизацию выполняет блок импульсного управления, не показанный на схеме. Предел основной приведенной погрешности по показаниям и цифровой регистрации составляет ± 0,25 %, по аналоговой регистрации и сигнализации ±0,5 %. Цикл измерения по всем каналам не превышает 12 с, цикл регистрации устанавливается с помощью клавиатуры от 10 до 600 с.

В микропроцессорных системах управления технологическими процессами и промышленными объектами большое место занимают распределенные системы сбора данных, в которых территориально распределенные устройства преобразуют аналоговую информацию о параметрах технологических процессов: температуре, давлении, расходе, уровне, составе газов и растворов в цифровой код. К числу таких преобразователей относится рассмотренный коммутатор «Метран-300».

Широкие возможности для сбора и обработки информации представляют устройства серии ADAM-5000 фирмы ADVANTECH. Эти устройства входят в распределенную систему преобразователей на базе интерфейсов Ethernet или RS-485 и осуществляют ввод и вывод аналоговых и дискретных сигналов, их первичное преобразование. По команде от удаленной вычислительной машины информация передается в ее адрес с использованием упомянутых интерфейсов. Скорость передачи информации достигает 115 кбод. В корпусе одного устройства находятся процессор, кросс-плата и модули ввода-вывода, число которых может составлять 4 или 8. В последнем случае общее число каналов ввода-вывода может достигать 128, максимальная длина линии без повторителя равна 100 м. В состав модулей ввода-вывода входят модули для подключения ТС с диапазоном измерения от -100 до 600 °С; ТЭП с диапазоном измерения от-100 до 1800 °С и аналоговых сигналов. Погрешность преобразования не превышает 0,1 %, частота выборки составляет 10 Гц. Для построения распределенных систем сбора данных той же фирмой выпускаются компактные модули ADAM-4000. Эти модули имеют встроенный микропроцессор и 16-разрядный АЦП, прием и передача цифровых сигналов осуществляется по интерфейсу RS-485. Модули серии ADAM 6000 имеют встроенную web-страницу, что позволяет их интегрировать в сеть Internet.