Інформаційно-вимірювальна система тиску газу в газопроводі (стр. 2 из 5)

Методи вимірювання тиску газу ґрунтуються на порівнянні сил тиску, що вимірюється, з наступними силами: тиску стовпця рідини (ртуті, води) відповідної висоти; такими, що утворюються при деформації пружних елементів (пружин, мембран, манометричних коробок, сильфонів та манометричних трубок); а також із пружними силами, що виникають при деформації деяких матеріалів, при яких виникають електричні ефекти[2].

З точки зору чутливості важлива роль першого перетворювального елемента у вимірювальному каналі. Та його частина, що перебуває під безпосереднім впливом вимірюваної величини, називається чутливим елементом. Розглянемо основні типи первинних перетворювачів тиску, вихідними сигналами яких є електричні сигнали, зручні для подальшої обробки і передачі по вимірювальному каналі.

Ємнісні перетворювачі застосовують для перетворення в електричний сигнал тисків. Ємнісний перетворювач - це конденсатор змінної ємності, керований вхідним сигналом. Електричні ланки з ємнісними перетворювачами живлять змінним струмом підвищеної частоти (від одиниць до десятків кілогерц).

Ємнісні перетворювачі мають звичайно верхню границю перетворюваного тиску 200…800 Па при чутливості 0,5…1,0 пФа/Па. Основна похибка становить 1…2%[1].

Принцип дії тензометричних перетворювачів засновано на використанні зміни електричного опору провідникових та напівпровідникових матеріалів при їх розтягуванні чи стисканні у межах пружних деформацій.

До головних техніко-метрологічних характеристик тензометричних перетворювачів належать тензочутливість, повний опір, повзучість, механічний гістерезис, температурна нестабільність, динамічні характеристики.

Тензочутливість визначається переважно резистивними властивостями матеріалу чутливого елемента, проте значною мірою залежить від конструкції перетворювача, матеріалу основи та інших чинників.

Головні вимоги до тензоперетворювачів такі:

а) якнайбільше значення коефіцієнта тензочутливості;

б) високий питомий електричний опір;

в) температурний коефіцієнт лінійного розширення чутливого елемента перетворювача повинен по можливості дорівнювати температурному коефіцієнту лінійного розширення матеріалу досліджуваного об'єкта.

За мостовою схемою тензоперетворювачі вмикають в одне, два або чотири плеча. В останньому випадку у два протилежних плеча входять перетворювачі, що реагують на ту саму деформацію (наприклад, розтягування), а у два інших - перетворювачі, що реагують на деформацію протилежного знака (стискання). Міст із двома й чотирма тензоперетворювачами має чутливість відповідно у 2 і 4 рази більше, ніж міст з одним тензоперетворювачем.

Останнім часом з’явився напрямок в напівпровідниковій тензометрії, пов'язаний із застосуванням мостових тензорезистивних структур, які є з’єднаними монолітно в схему одинарного моста напівпровідниковими тензорезисторами.

Габаритні розміри таких перетворювачів становлять 2…6 мм при товщині самого тензорезистора 20…25 мкм. Датчики, виконані на основі мостових тензоструктур, є точнішими від датчиків з одиничними напівпровідниковими тензорезисторами (їх похибка 0,1…0,2 %). Тут тензорезистор є єдиною ланкою пружного елемента. Отже, на відміну від наклеюваних тензорезисторів, тут відсутня проміжна ланка між пружним елементом і тензорезистором – клей, який є причиною додаткових похибок у наклеюваних тензорезисторів через його пружну недосконалість. Саме тому, при розробці ІВС тиску газу в газопроводі, використаємо як первинний вимірювальний перетворювач тиску один із датчиків на основі мостових тензорезистивних структур, які є з’єднаними монолітно в схему одинарного моста напівпровідниковими тензорезисторами[3].

Для вимірювання температури використовуються температурні сенсори різноманітних типів, найпоширенішими серед яких є резистивні датчики температури, термістори, напівпровідникові датчики температури, термопари, датчики з цифровим виходом.

Термопара являє собою два різнорідних металевих провідника (термоелектроди), що призначені для вимірювання температури. Кінець термопари, що поміщається в об’єкт вимірювання температури, називається робочим або «гарячим» спаєм; вільні або «холодні» кінці термопари сполучені з вимірювальним перетворювачем. Принцип роботи термопари полягає в тому, що при зміні температури «гарячого» спаю на вільних кінцях термопари змінюється термоелектрорушійна сила постійного струму. Утворення термоелектрорушійної сили пояснюється тим, що при нагріванні електрони на «гарячому» спаї одержують більш високу швидкість, ніж на «холодному», в результаті чого виникає потік електронів від «гарячого» до «холодного» спаю. На «холодному» кінці накопичується негативний заряд, на «гарячому» - позитивний. Різниця цих потенціалів і визначає термоелектрорушійну силу термопари. Термопари перекривають діапазони вимірювань температур від

до , однак їх досить важко реалізувати технологічно [4].

В терморезисторах під впливом температури змінюється опір. Їх використовують як сенсори температури дуже часто через відносно малу вартість. Існує три види терморезисторів: з негативною характеристикою (опір з підвищенням температури зменшується), позитивною характеристикою (опір з підвищенням температури збільшується) та з критичною характеристикою (опір збільшується при пороговому значенні температури). Зазвичай опір під впливом температури змінюється дуже швидко, тому для розширення лінійної ділянки температура-опір паралельно і послідовно до терморезистора під’єднують додаткові резистори, що є не дуже зручним. По матеріалу чутливого елемента їх підрозділяють на платинові і мідні. Мідні терморезистри використовують при вимірюванні значень температури від

до ,платинові – від до .

Термістори мають функції схожі з функціями терморезисторами і є температурно-чутливими резисторами невеликої вартості. Вони виготовляються із напівпровідникових матеріалів, які мають як позитивний, так і негативний температурний коефіцієнт. Найбільш часто використовуються термістори з негативними температурними коефіцієнтами. Термістор є найбільш нелінійним пристроєм із розглянутих раніше, але в той же час він найбільш чутливий. Висока чутливість термістора, дозволяє визначати з його допомогою миттєві зміни температури, які неможливо було б спостерігати за допомогою резистивних датчиків температури або термопар. Проте нелінійність термісторів є не тільки самим більшим джерелом помилок при вимірюваннях температури, вона обмежує область можливих застосувань малим температурним діапазоном, якщо не використовуються спеціальні методи лінеаризації[3].

Сучасні напівпровідникові датчики температури дають високу точність і високу лінійність в робочому діапазоні від -55°С до +150°С [2].

Датчики температури з цифровим виходом мають ряд переваг над датчиками з аналоговим виходом, особливо у випадку передачі даних на велику відстань. Для того ж, для забезпечення гальванічної розв’язки (ізоляції) між дистанційним датчиком та інформаційно-вимірювальною системою можна використати елементи опторозв’язки. Наприклад, функцію пристрою з цифровим виходом виконує датчик температури з напругою на виході, за яким слідує конвертор напруга-частота, вихідним параметром якого є шпаруватість імпульсів. Вихідний сигнал датчика мало чутливий до завад, тому використаємо для вимірювання температури в ІВС саме такий датчик.

Отже, структурна схема ІВС тиску газу в газопроводі матиме вигляд зображений на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурна схема ІВС тиску газу в газопроводі

Принцип роботи системи наступний. Тиск, різниця тисків та розрідження, що вимірюються в перших трьох каналах відповідно, поступають на вхід датчиків, що складаються з пружного елемента (мембрани), який перетворює прикладений до нього тиск у деформацію мембрани

, передаючи таким чином навантаження на тензорезистори, включені в мостове коло. Відносна зміна опорів тензорезисторів викликає розбалансування моста, і на виході датчика ми отримаємо напругу, що залежить від прикладеного тиску. Значення цієї напруги підсилюється підсилювачем і поступає на вхід АЦП, що працює і режимі безперервного перетворення. Мікропроцесор виставляє на шину обміну даними адресу відповідного каналу, в залежності від того, яке значення тиску необхідно виміряти в даний момент часу. За сигналом від мікропроцесора АЦП виставляє на шину код, відповідний значенню тиску, який зчитується мікропроцесором. Для вимірювання температури використовується датчик температури, вихідним інформативним параметром якого є шпаруватість імпульсів. Вихідний сигнал цього датчика поступає на вхід аналогового компаратора, вбудованого в мікропроцесор. Для зв’язку ІВС з ПЕОМ передбачено використання інтерфейсу.