Помощь студентам в учебе
Экспериментальное исследование метода метрологической самодиагностики датчика температуры на двух термосопротивлениях
|
АННОТАЦИЯ 2
Введение 6
1 Аналитический обзор 10
1.1 Платиновые термосопротивления 14
1.2 Никелевые термосопротивления 18
1.3 Медные термосопротивления 20
1.4 Типовые конструкции термосопротивлений 21
1.5 Интеллектуальные средства измерений и метрологический самоконтроль. 28
1.6 Исследуемый метод 30
1.7 Выводы по первому разделу 32
2 Разработка программного обеспечения 34
2.1 Функциональная схема и электронный модуль 34
2.2 Встроенное программное обеспечение и архитектура проекта 37
2.3 Выводы по второму разделу 46
3 Калибровка измерительных каналов 47
3.1 Калибровка датчиков 47
3.2 Калибровка первого измерительного канала 50
3.3 Калибровка второго измерительного канала 60
3.4 Тестовые измерения и вывод данных 69
3.5 Замена электронного преобразователя и проведение повторной калибровки
измерительных каналов 72
4 Проведение измерений и обработка результатов 93
4.1 Получение экспериментальных данных 93
4.2 Обработка результатов измерений 94
4.3 Выводы по четвёртому разделу 107
Заключение 109
Библиографический список 110
Приложение А 114
Приложение Б 124
Введение 6
1 Аналитический обзор 10
1.1 Платиновые термосопротивления 14
1.2 Никелевые термосопротивления 18
1.3 Медные термосопротивления 20
1.4 Типовые конструкции термосопротивлений 21
1.5 Интеллектуальные средства измерений и метрологический самоконтроль. 28
1.6 Исследуемый метод 30
1.7 Выводы по первому разделу 32
2 Разработка программного обеспечения 34
2.1 Функциональная схема и электронный модуль 34
2.2 Встроенное программное обеспечение и архитектура проекта 37
2.3 Выводы по второму разделу 46
3 Калибровка измерительных каналов 47
3.1 Калибровка датчиков 47
3.2 Калибровка первого измерительного канала 50
3.3 Калибровка второго измерительного канала 60
3.4 Тестовые измерения и вывод данных 69
3.5 Замена электронного преобразователя и проведение повторной калибровки
измерительных каналов 72
4 Проведение измерений и обработка результатов 93
4.1 Получение экспериментальных данных 93
4.2 Обработка результатов измерений 94
4.3 Выводы по четвёртому разделу 107
Заключение 109
Библиографический список 110
Приложение А 114
Приложение Б 124
Актуальность работы
В настоящее время во всём мире активно развивается направление интеллектуальных средств измерений (далее СИ), т.е. таких СИ, которые могли бы самостоятельно проводить метрологическую проверку работоспособности и передавать результаты проверки в систему управления производством (согласно ГОСТ Р 8.673-2009 «Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные») [1].
Экспериментальные исследования какого-либо объекта, явления или испытания промышленного изделия, управление техническими системами или процессами, не представляются возможными без измерения физических величин, которые характеризуют состояние объекта. Поэтому в состав любой измерительной, испытательной или управляющей системы в качестве важнейших составляющих входят первичные измерительные преобразователи - датчики. Первостепенной функцией датчиков является преобразование значения входной (воздействующей извне) физической величины в электрическую - напряжение или силу тока.
Необходимо подходить к проблематике анализа получения данных с помощью измерительных датчиков комплексно - с учётом современных тенденций развития микроэлектроники, схемотехники, технологий приборостроения и многих иных факторов. Такая возможность представляется при условии, что вместе со стандартным функционированием датчиков, предполагающим преобразование определённых, воздействующих извне, физических величин, будет выполняться также ряд специальных функций, реализация которых закрепляется за последующими блоками измерительной системы.
Построение многофункциональных датчиков было основной сферой научных интересов Цапенко М.П., Алейникова А.Ф. и Гридчина В.А. Также в данном направлении трудятся такие известные ученые как Тайманов Р.Е., Сапожникова К.В. и Бакшеева Ю.В. В работах последних большое количество материала посвящено концепции интеллектуальных датчиков с возможностью метрологического самоконтроля.
С учётом сегодняшних тенденций развития измерительной техники, СИ с метрологическим самоконтролем существенно потеснят традиционные. Альтернативы нет. Количество рутинных метрологических процедур сократится, но потребность в высококвалифицированных инженерах-метрологах, принимающих участие в разработках новых СИ, будет возрастать.
Научная новизна
Элемент научной новизны данной работы, заключается в программно¬аппаратной реализации метода метрологической самодиагностики датчика температуры на двух термосопротивлениях, предложенного в 2011 году Ю.В. Бакшеевой, К.В. Сапожниковой и Р.Е. Таймановым [15].
Практическая ценность
Любая измерительная система нуждается в регулярной проверке её метрологических характеристик на соответствие тем или иным требованиям. Иногда датчики температуры, давления и других воздействующих извне физических факторов, расположены в труднодоступных и зачастую опасных для человека зонах (атомные электростанции, хранилища и системы транспортировки горючих и взрывоопасных веществ, космические аппараты и станции) и провести его метрологический контроль классическим способом невозможно. Именно в такие моменты появляется необходимость сделать датчик интеллектуальным (т.е. наделить его некоторыми самостоятельными функциями) и создать возможность дистанционного «общения» с ним.
В настоящее время большое количество датчиков выполняют диагностику оборудования и принимают участие в процессе управления. В основном, контроль их метрологической исправности осуществляется с периодичностью в 1-2 года. С каждым годом, такие манипуляции становятся всё более экономически
невыгодными
В России ежегодно проводится до 52 миллионов поверок (данные за 2004 - 2009 гг.) контрольно-измерительных средств, на которые предприятиями тратятся миллионы рублей.
Как правило, значение погрешности средств измерений становится выше прежнего с окончанием каждого пежповерочного (МПИ) и межкалибровочного (МКИ) интервалов. До 12% средств измерений выходят за пределы допуска в течение межкалибровочного интервала за рубежом, а в России - 2-3%. Существенная разница между этими показателями, главным образом, связана с тем, что за рубежом для сокращения экономических затрат стараются увеличить длительность межкалибровочного интервала, а отнюдь не с качеством средств измерений российского производства.
Довольно интересным альтернативным решением в такой ситуации является разработка и внедрение автоматического метрологического самоконтроля датчиков в процессе эксплуатации и значительное увеличение межкалибровочного интервала [7].
По завершению работы будет разработан программно-аппаратный комплекс (экспериментальный макет) для обучения принципам функционирования интеллектуальных датчиков: «Измерение температуры и метрологический самоконтроль». Он может использоваться в обучении студентов направлений и специальностей «Приборостроение», «Системы управления», «Информационные системы и технологии» в НИУ ЮУрГУ, а также в других университетах страны.
Цель работы
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование метода метрологического самоконтроля датчика температуры с двумя термопреобразователями сопротивления.
Задачи
Для достижения поставленной цели, во-первых, требуется провести аналитический обзор литературы, в ходе которого нужно будет рассмотреть основные виды термосопротивлений, их свойства, сильные и слабые стороны, а также причины их старения и выхода из строя. Вторым шагом станет разработка функциональной схемы стенда и программного обеспечения для АЦП и микроконтроллера, третьим - калибровка измерительных каналов, под которой подразумевается первичное измерение сопротивления, определение оптимальной степени и вычисление коэффициентов калибровочных полиномов. Наконец, четвёртым, решающим шагом, будет проведение измерительного эксперимента с двумя термосопротивлениями и обработка полученных измерительных данных, на основе которых можно будет сделать вывод о работоспособности метода.
В настоящее время во всём мире активно развивается направление интеллектуальных средств измерений (далее СИ), т.е. таких СИ, которые могли бы самостоятельно проводить метрологическую проверку работоспособности и передавать результаты проверки в систему управления производством (согласно ГОСТ Р 8.673-2009 «Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные») [1].
Экспериментальные исследования какого-либо объекта, явления или испытания промышленного изделия, управление техническими системами или процессами, не представляются возможными без измерения физических величин, которые характеризуют состояние объекта. Поэтому в состав любой измерительной, испытательной или управляющей системы в качестве важнейших составляющих входят первичные измерительные преобразователи - датчики. Первостепенной функцией датчиков является преобразование значения входной (воздействующей извне) физической величины в электрическую - напряжение или силу тока.
Необходимо подходить к проблематике анализа получения данных с помощью измерительных датчиков комплексно - с учётом современных тенденций развития микроэлектроники, схемотехники, технологий приборостроения и многих иных факторов. Такая возможность представляется при условии, что вместе со стандартным функционированием датчиков, предполагающим преобразование определённых, воздействующих извне, физических величин, будет выполняться также ряд специальных функций, реализация которых закрепляется за последующими блоками измерительной системы.
Построение многофункциональных датчиков было основной сферой научных интересов Цапенко М.П., Алейникова А.Ф. и Гридчина В.А. Также в данном направлении трудятся такие известные ученые как Тайманов Р.Е., Сапожникова К.В. и Бакшеева Ю.В. В работах последних большое количество материала посвящено концепции интеллектуальных датчиков с возможностью метрологического самоконтроля.
С учётом сегодняшних тенденций развития измерительной техники, СИ с метрологическим самоконтролем существенно потеснят традиционные. Альтернативы нет. Количество рутинных метрологических процедур сократится, но потребность в высококвалифицированных инженерах-метрологах, принимающих участие в разработках новых СИ, будет возрастать.
Научная новизна
Элемент научной новизны данной работы, заключается в программно¬аппаратной реализации метода метрологической самодиагностики датчика температуры на двух термосопротивлениях, предложенного в 2011 году Ю.В. Бакшеевой, К.В. Сапожниковой и Р.Е. Таймановым [15].
Практическая ценность
Любая измерительная система нуждается в регулярной проверке её метрологических характеристик на соответствие тем или иным требованиям. Иногда датчики температуры, давления и других воздействующих извне физических факторов, расположены в труднодоступных и зачастую опасных для человека зонах (атомные электростанции, хранилища и системы транспортировки горючих и взрывоопасных веществ, космические аппараты и станции) и провести его метрологический контроль классическим способом невозможно. Именно в такие моменты появляется необходимость сделать датчик интеллектуальным (т.е. наделить его некоторыми самостоятельными функциями) и создать возможность дистанционного «общения» с ним.
В настоящее время большое количество датчиков выполняют диагностику оборудования и принимают участие в процессе управления. В основном, контроль их метрологической исправности осуществляется с периодичностью в 1-2 года. С каждым годом, такие манипуляции становятся всё более экономически
невыгодными
В России ежегодно проводится до 52 миллионов поверок (данные за 2004 - 2009 гг.) контрольно-измерительных средств, на которые предприятиями тратятся миллионы рублей.
Как правило, значение погрешности средств измерений становится выше прежнего с окончанием каждого пежповерочного (МПИ) и межкалибровочного (МКИ) интервалов. До 12% средств измерений выходят за пределы допуска в течение межкалибровочного интервала за рубежом, а в России - 2-3%. Существенная разница между этими показателями, главным образом, связана с тем, что за рубежом для сокращения экономических затрат стараются увеличить длительность межкалибровочного интервала, а отнюдь не с качеством средств измерений российского производства.
Довольно интересным альтернативным решением в такой ситуации является разработка и внедрение автоматического метрологического самоконтроля датчиков в процессе эксплуатации и значительное увеличение межкалибровочного интервала [7].
По завершению работы будет разработан программно-аппаратный комплекс (экспериментальный макет) для обучения принципам функционирования интеллектуальных датчиков: «Измерение температуры и метрологический самоконтроль». Он может использоваться в обучении студентов направлений и специальностей «Приборостроение», «Системы управления», «Информационные системы и технологии» в НИУ ЮУрГУ, а также в других университетах страны.
Цель работы
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование метода метрологического самоконтроля датчика температуры с двумя термопреобразователями сопротивления.
Задачи
Для достижения поставленной цели, во-первых, требуется провести аналитический обзор литературы, в ходе которого нужно будет рассмотреть основные виды термосопротивлений, их свойства, сильные и слабые стороны, а также причины их старения и выхода из строя. Вторым шагом станет разработка функциональной схемы стенда и программного обеспечения для АЦП и микроконтроллера, третьим - калибровка измерительных каналов, под которой подразумевается первичное измерение сопротивления, определение оптимальной степени и вычисление коэффициентов калибровочных полиномов. Наконец, четвёртым, решающим шагом, будет проведение измерительного эксперимента с двумя термосопротивлениями и обработка полученных измерительных данных, на основе которых можно будет сделать вывод о работоспособности метода.
В ходе данной работы были выполнены следующие задачи: аналитический обзор тематической литературы, разработка программного обеспечения, калибровка измерительных каналов, проведение эксперимента и обработка полученных данных. Решение этих задач позволило комплексно подойти к вопросу исследования метода метрологической самодиагностики датчика на двух термосопротивлениях.
Стоить отметить, что проведение эксперимента требует наличия точной, отлаженной электроники и надёжного испытательного оборудования - это позволит избежать при измерениях различных шумов, нестабильности и случайной составляющей погрешности.
Несмотря на определённые трудности в процессе подготовки и проведения эксперимента, удалось получить данные с точностью, которая позволила сделать вывод о применимости метода, а также сравнить полученные результаты с реальным утверждённым средством измерения.
Стоить отметить, что проведение эксперимента требует наличия точной, отлаженной электроники и надёжного испытательного оборудования - это позволит избежать при измерениях различных шумов, нестабильности и случайной составляющей погрешности.
Несмотря на определённые трудности в процессе подготовки и проведения эксперимента, удалось получить данные с точностью, которая позволила сделать вывод о применимости метода, а также сравнить полученные результаты с реальным утверждённым средством измерения.
