Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Многоканальные приборы контроля параметров микроклимата. Датчики физических величин. 13
1.1. Постановка задачи. 13
1.2. Анализ методов измерения относительной влажности, температуры, подвижности воздуха и тепловой облучённости объектов . 13
1.3. Анализ современного технико-метрологического уровня многоканальных измерителей параметров микроклимата. 18
1.4. Датчики контроля физических величин, анализ технико-метрологического уровня. 21
1.5. Анализ соответствия современного приборного парка и элементной базы требованиям комплексного мониторинга микроклимата рабочих мест. Разработка технических требований на многоканальные измерительные комплексы. 32
1.6. Выводы по главе. 39
Глава 2. Инструментальные и метрологические аспекты измерения относительной влажности воздуха. 41
2.1. Термины и определения в области гигрометрии газов. Измеряемые и вычисляемые параметры влажности воздуха. Постановка задачи. 41
2.2. Метрологическое обеспечение измерений относительной влажности воздуха. Методы и средства. Разработка генератора влажного газа, отвечающего требованиям поставленной задачи . 46
2.3. Разработка концепции измерителя на основе интегрального датчика относительной влажности. Схемотехника, конструктив, методы настройки в условиях серийного производства. Экспериментальная
оценка полученных результатов. 74
2.4. Метролого-статистическая оценка долговременного инструментального и эксплуатационного качества измерений относительной влажности воздуха, по результатам трёхлетней эксплуатации парка серийно произведенных приборов. 96
2.5. Выводы по главе. 99
Глава 3. Определение комплекса температурных показателей, связанных с контролем параметров микроклимата . 101
3.1. Измеряемые и вычисляемые температуры, их метрологическое,
аппаратное и математическое обеспечение. Постановка задачи. 101
3.2. Измерение температуры платиновыми термометрами сопротивления. Компенсация собственной нелинейности, схемотехника, методы прецизионной настройки измерительных трактов в условиях серийного производства . 102
3.3. Температура внутри чёрной сферы, средняя радиационная температура. Прямые измерения и косвенные вычисления. Оценка остаточных погрешностей. 109
3.4. Динамические измерения температуры. Быстродействие измерительных зондов, методы и средства по его повышению. 113
3.5. Определение температуры влажного термометра. Непосредственные измерения и вычисления по результатам прямо измеренных параметров микроклимата. 119
3.6. Выводы по главе. 127
Глава 4. Измерения параметров микроклимата: подвижности воздуха и тепловой облучённости. Многоканальные приборные комплексы . 128
4.1. Измерение подвижности воздуха. Схемотехника, конструктив, учёт барометрического фактора, метрологическое обеспечение. 128
4.2. Измерение тепловой облучённости объектов. Расчётные соотношения, аппаратная реализация, метрологическое обеспечение . 136
4.3. Многоканальные комплексы для мониторинга микроклимата. Оценка полученных результатов. 141
Выводы 146
Литература
- Анализ методов измерения относительной влажности, температуры, подвижности воздуха и тепловой облучённости объектов
- Метрологическое обеспечение измерений относительной влажности воздуха. Методы и средства. Разработка генератора влажного газа, отвечающего требованиям поставленной задачи
- Измерение температуры платиновыми термометрами сопротивления. Компенсация собственной нелинейности, схемотехника, методы прецизионной настройки измерительных трактов в условиях серийного производства
- Измерение тепловой облучённости объектов. Расчётные соотношения, аппаратная реализация, метрологическое обеспечение
Введение к работе
1. Актуальность работы.
Контроль среды жизнедеятельности человека является повсеместной и постоянной задачей. Глобализация индустриальных и общественных процессов неизбежно приводит к интенсификации жизнедеятельности социума, что, в свою очередь, приводит к необходимости всё более строгого и объективного контроля безопасности и безвредности для человека среды его обитания и условий труда.
В Российской Федерации защита здоровья человека юридически обеспечивается комплексом Законов и Нормативных Актов. В частности, Санитарные Нормы и Правила Сан.ПиН 2.2.4.548-96 определяют гигиенические требования к микроклимату производственных помещений и направлены на предотвращение неблагоприятного воздействия микроклимата рабочих мест и помещений на работоспособность и здоровье человека. Согласно этим Сан.ПиН [1], показателями, характеризующими микроклимат в производственных помещениях, являются:
- температура воздуха, поверхностей;
- относительная влажность воздуха; скорость движения воздуха (подвижность); интенсивность теплового облучения.
В указанных Нормах и Правилах приведены также технические требования по диапазонам и погрешностям измерений соответствующих физических параметров, рекомендации по методологическим, эксплуатационным и метрологическим аспектам, которые необходимо соблюдать при разработке, изготовлении и эксплуатации соответствующего приборного парка.
В соответствии с Законом о Единстве измерений, ст. 13, приборы, предназначенные для подобных измерений, должны быть метрологически обеспечены, подвергнуты Государственным Приёмным испытаниям, включены в Государственный Реестр Средств Измерений, т.е. должны быть допущены к официальному их использованию на территории РФ.
Адекватная оценка воздействия совокупности вышеперечисленных физических факторов производится введением комплексных показателей сочетанного (интегрального) воздействия на человека параметров микроклимата, с помощью индекса тепловой нагрузки среды (ТНС-индекса), или WBGT-индекса, [1]. Такой подход накладывает определённые дополнительные требования к создаваемым приборам в плане одновременного в режиме реального времени измерения всех вышеуказанных физических параметров, оснащения приборов средствами вычислений комплексных показателей.
Помимо защиты здоровья человека, мониторинг качества окружающей среды весьма важен для обеспечения правильного хранения материальных и культурных ценностей (в музеях, библиотеках, банках), продуктов питания и жизнеобеспечения, поддержания технологических процессов на оптимальном уровне. Для обеспечения большого объёма измерений параметров микроклимата требуются современные надёжные портативные, серийно выпускаемые прецизионные многоканальные приборы, метрологически и методически обеспеченные, включённые в Госреестр СИ РФ, имеющие хорошую сервисную поддержку в течение всего срока их службы.
Приходится констатировать, что хотя в стране в эксплуатации находится значительный парк соответствующей измерительной техники, часть этого парка является морально устаревшей, либо снятой с производства, многие приборы чрезмерно сложны в эксплуатации, что зачастую приводит к некорректным измерениям. Значительная часть этих приборов является одно-двухканальной, что затрудняет оперативное и правильное получение значений комплексных показателей воздействия микроклимата на человека в режиме реального времени. Часть этих приборов имеет в своём составе низкокачественные нестабильные сенсоры физических величин, что сказывается на достоверности получаемых результатов.
Так, например, широко используемый в практике аспирационный психрометр является несложным, но весьма капризным прибором, требующим тщательного ухода и скрупулёзной подготовки к правильной эксплуатации, что, по нашим многочисленным наблюдениям, часто не выполняется. В итоге - субъективный фактор приводит к недостоверным результатам при определении температуры смоченного (влажного) термометра, что, в свою очередь, даёт неправильные (завышенные) значения относительной влажности и комплексного ТНС-индекса, в котором эта температура является его основной (70 %) составляющей.
Всё вышеизложенное определяет актуальность диссертационного исследования, посвященного разработке многоканального измерительного комплекса контроля параметров микроклимата, обеспечивающего достоверные измерения в режиме реального времени как собственно физических факторов микроклимата, так и комплексных показателей сочетанного (интегрального) воздействия факторов микроклимата на человека, с обеспечением минимизации возможных субъективных ошибок, связанных с недостаточной квалификацией наблюдателя.
2. Предмет и метод исследования, цель и задачи работы.
Целью работы является исследование и разработка методов и средств измерения параметров микроклимата, определение комплексных параметров воздействия микроклимата на человека, создание на этой основе современных многоканальных измерительных комплексов для использования их в качестве рабочих средств измерений в различных областях деятельности.
Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи:
1. Провести анализ существующих методов и средств измерения параметров вышеуказанных физических факторов микроклимата, оценить метрологические и эксплуатационные характеристики серийно выпускаемых приборов.
2. Провести анализ состояния метрологического обеспечения в области измерений относительной влажности газов (воздуха), предложить наиболее перспективный метод, основанный на смешении двух потоков газа, улучшить его характеристики по сравнению с ныне достигнутыми, внедрить в эксплуатацию и обеспечить метрологически генератор относительной влажности воздуха, способный обеспечить процедуру градуировок и поверок в условиях серийного производства.
3. Провести теоретические и экспериментальные исследования по выявлению оптимального соотношения между прямо измеряемыми и косвенно определяемыми параметрами физических факторов микроклимата, с обеспечением требуемой точности измерений и вычислений.
4. Провести экспериментальные исследования по оценке реальных эксплуатационных характеристик серийно выпускаемых датчиков (сенсоров) физических величин, с точки зрения их стабильности, оптимальной совместимости с современными измерительными схемами, выбрать их наилучшие типы, обеспечивающие для названной цели длительную, надёжную, метрологически достоверную их эксплуатацию в составе разработанных измерительных комплексов.
5. Провести математический анализ психрометрических таблиц. Получить оптимальные по структуре аналитические выражения достаточной точности, предназначенные для вычисления абсолютной влажности, психрометрической разности температур, температуры влажного термометра, базирующиеся на основе прямо измеренных значений температуры и относительной влажности воздуха, что оптимизирует построение вычислительной части приборных комплексов, избавляя от необходимости загрузки в неё значительного табличного массива исходных данных.
6. Провести экспериментальные исследования динамических характеристик измерительных зондов, содержащих датчики физических величин, выявить наиболее инерционный канал - канал измерения температуры и разработать метод определения установившихся (истинных) значений температуры по измерениям температуры зонда на начальном, нестационарном временном участке процесса измерения.
7. Провести математический анализ соотношений в пирометрии излучения нагретых тел для определения аналитических выражений по расчету плотности теплового облучения для случая ограниченных спектральных диапазонов регистрации излучения, что позволит оптимизировать структуру тракта измерителя плотности теплового облучения.
8. Провести теоретические и экспериментальные исследования по разработке многоканальных портативных измерительных комплексов повышенной точности, работающих в режиме реального времени и отвечающих требованиям поставленных задач.
9. Разработать методику и аппаратуру для комплексной прецизионной настройки приборных комплексов в условиях серийного производства.
10. Разработать метрологическое оборудование и методики поверок для обеспечения процедур первичных и периодических поверок серийно выпускаемых измерительных комплексов.
При решении поставленных задач использовать теоретические и экспериментальные методы исследований с применением аппарата термодинамики, физики твёрдого тела, теории электротехники и электроники. В работе использовать методы математической статистики и теории погрешностей.
Экспериментальные исследования выполнялись на универсальной и специально созданной контрольно-измерительной аппаратуре, предназначенной для измерения физических и электрических величин.
Проверка разработанных алгоритмов функционирования, вычислений и схемотехнических решений проводилась с помощью математических моделей и экспериментального макетирования.
3. Основные положения, выносимые на защиту.
1. Принципы построения многоканальных портативных приборных комплексов, предназначенных для измерения параметров физических факторов микроклимата.
2. Алгоритм вычисления и программа для ЭВМ по нахождению косвенно определяемых физических факторов микроклимата: абсолютной влажности воздуха, психрометрической разности температур, температуры влажного термометра, базирующихся на результатах прямых прецизионных измерений температуры и относительной влажности воздуха.
3. Алгоритм вычисления номинальной статической характеристики преобразования инфракрасного радиометра на основе предложенного аналитического выражения, учитывающего спектральную характеристику чувствительности используемого приёмника теплового излучения.
4. Методика комплексной настройки многоканальных приборов с использованием имитаторов входного физического воздействия и процедур калибровок-градуировок на физических эталонах.
5. Методика минимизации погрешностей при измерении параметров физических факторов микроклимата.
6. Усовершенствованный генератор относительной влажности воздуха, работающий на принципе смешения двух потоков, обеспечивающий повышение верхнего предела уровня относительной влажности при одновременном увеличении производительности процедур градуировок-поверок в условиях серийного производства приборов.
7. Результаты экспериментальных исследований и основные метрологические характеристики разработанных приборных комплексов контроля параметров микроклимата.
4. Практическое использование полученных результатов.
1. Разработаны технические требования для построения ряда многоканальных измерительных комплексов, предназначенных для контроля параметров физических факторов микроклимата.
2. Создана серия многоканальных измерительных приборных комплексов, предназначенных для решения указанной задачи, проведены их экспериментальные исследования и метрологическая аттестация:
а) 2-х канальный измеритель температуры и относительной влажности воздуха, модель «ТКА-ТВ»
б) 3-х канальный измеритель температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха, модель «ТКА-КЛИМАТ»
в) 4-х канальный измеритель температуры, относительной влажности, освещённости и яркости, модель «ТКА-ПК»
г) инфракрасный радиометр для измерения плотности теплового облучения, модель «ТКА-ИКР»
д) 9-канальный приборный комплекс, предназначенный для прямых измерений 8 физических параметров и вычисления 5 параметров микроклимата и показателей сочетанного (интегрального) воздействия, модель «TKA-KEEPER-2».
3. Разработаны и внедрены в практику методические рекомендации для пользователей приборных комплексов на тему специфики и корректной интерпретации результатов, полученных при эксплуатации вышеуказанного парка приборных комплексов.
Работа проводилась совместно с коллективом лаборатории микроклимата научно-технического предприятия «ТКА». Личное участие автора заключалось в анализе состояния технического и метрологического уровня существующего парка приборов, в разработке принципиальных схем создаваемых приборных комплексов, теоретическом анализе и математической интерпретации принципов действия создаваемой техники, их макетировании, натурных испытаниях, экспериментальных исследованиях, проведении метрологической аттестации, разработке схем и узлов метрологического оборудования, в выборе элементной базы, разработке методов и средств комплексной настройки оборудования, расчёте и анализе погрешностей измерений, подготовке публикаций и участии в научно-технических конференциях, выставках и симпозиумах.
5. Апробация работы.
Основные результаты и научные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах. - Международном конгрессе «Art et Chimie», Paris, 1998 г.;
- 4-ом Международном симпозиуме «The 4th International Symposium on Humidity and Moisture», Taipei (Taiwan), 2002 г.;
- Втором научно-техническом семинаре «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники», Сочи, 2001 г.;
- Научно-техническом семинаре в ФЦ ГСЭН, Москва, декабрь 2003 г.;
- Научно-практической конференции "Состояние, проблем и опыт аналитического приборостроения для сельскохозяйственного производства, пищевой и перерабатывающей промышленности и робототехнических систем точного земледелия", С-Пб., 2004.
По теме диссертации автором опубликовано 16 печатных работ.
Анализ методов измерения относительной влажности, температуры, подвижности воздуха и тепловой облучённости объектов
Наличие влаги и её изменения оказывают воздействие на ряд характеристик физических объектов, что создаёт предпосылки для принципов создания различных типов гигрометров, измеряющих относительную влажность газов (воздуха).
Согласно принятой классификации [2,3,4], приборы для измерения относительной влажности можно разделить на типы. - электроизмерительные приборы с емкостными датчиками влажности, измеряющие ёмкость влагочувствительного конденсатора; - электроизмерительные приборы с резистивными датчиками влажности, измеряющие проводимость гигроскопичного элемента; волосяные гигрометры, измеряющие влагозависимое удлинение волоса; гигрометры точки росы, измеряющие температуру, при которой выпадает роса; кулонометрические гигрометры, измеряющие ионный ток, который проходит через ячейку из керамики, обладающей в нагретом виде водородной или кислородной проводимостью; - фотоионизационные гигрометры, измеряющие интенсивность флуоресценции ионов гидроксила, возникающих в процессе фотоионизации молекул воды; пьезосорбционные гигрометры, измеряющие резонансную частоту пьезоэлемента, служащего датчиком влажности; оптические гигрометры, регистрирующие изменение поглощения парами воды инфракрасного или ультрафиолетового излучения [5].
Отметим, что подавляющее большинство серийно выпускаемых гигрометров, предназначенных для измерения относительной влажности воздуха, относятся к электроизмерительным приборам, содержащем в своём составе либо твердотельный ёмкостной, либо твердотельный резистивный датчик влажности [6], в силу высоких характеристик и миниатюрности конструкции, обеспечивающих портативность измерительных зондов, при сохранении высоких метрологических характеристик, поэтому ниже именно только эти типы гигрометров будут рассматриваться.
Контроль температуры является наиболее массовым видом измерений во всех областях науки и техники [7,8]. Для этой цели разработано большое разнообразие датчиков температуры, среди которых, с учётом требований по стабильности характеристик, миниатюрности, можно выделить следующие их типы: датчики температуры на основе платины или никеля; термопары; терморезисторы с отрицательным ТКС, терморезисторы с положительным ТКС; кремниевые датчики температуры; интегральные полупроводниковые датчики температуры, объединяющие в своём составе датчик температуры и схему обработки сигнала с выводом информации [9,12]. а) в токовом режиме; б) в режиме напряжения; в) в формате широтно-импульсной модуляции (ШИМ); г) в режиме пропорционального вывода сигнала.
Широкий спектр представленных температурных датчиков может быть ограничен, с учётом поставленных задач, при учёте следующих показателей: метрологической обеспеченности; максимальной стабильности параметров; линейности в требуемом диапазоне температур; механической прочности; миниатюрности; инерционности; оптимального соотношения «цена-качество», что существенно в условиях серийного производства прецизионной измерительной техники.
Наилучшим образом, по совокупности своих метрологических и технико-конструкторских свойств, вышеуказанным требованиям отвечают датчики температуры на основе платины.
В отличие от измерений относительно влажности и температуры, когда можно выбрать специализированный датчик и построить соответствующую измерительную схему прибора, проблема измерения скорости движения (подвижности) воздуха заключается в отсутствии такого специализированного датчика. Анемометры - приборы для измерения скорости воздуха, всегда имеют в своём составе входной преобразователь, представляющий собой некую микросистему, построенную на стандартных или оригинальных элементах.
При этом нижний предел измерения скорости имеет значения 0,05 4- 0,1 м/с а допустимые погрешности составляют доли процента.
Наиболее известными являются механические анемометры, имеющие в своём составе крыльчатку [7], однако в силу их малой чувствительности при малых скоростях, значительных габаритов в данной работе рассматриваться не будут.
Существует класс оптоэлектронных измерителей скорости и расхода воздуха, работающих на оптическом эффекте Доплера. Эти лазерные доплеровские анемометры используют особый вид рассеяния света, являются весьма точными приборами, однако они очень сложны, имеют в своём составе лазер, оптическую систему, фотоумножитель, схему обработки сигнала [7], и предназначены для стационарных измерений.
Измерение скорости воздуха можно осуществить исключительно электронным путём, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор, либо подогреваемую нить [7,13]. Сопротивление такого резистора изменяется вследствие охлаждения потоком воздуха, в результате чего резистор действует как датчик скорости воздушного потока.
Метрологическое обеспечение измерений относительной влажности воздуха. Методы и средства. Разработка генератора влажного газа, отвечающего требованиям поставленной задачи
В гигрометрии централизованная система обеспечения единства измерений юридически внедрена только для гигрометров относительной влажности, Государственная поверочная схема для средств измерений относительной влажности приведена в [48] и представлена на рис.7.
По фактическому состоянию дел, Государственный первичный эталон единицы относительной влажности газов находится в Сибирском отделении ВНИИФТРИ г. Иркутск, и реально эта единица переносится только на продукцию выпускаемую этим институтом (гигрометры серии «Волна») и частично на продукцию выпускаемую Ангарским ОКБ А [6]. В Европейской части России в настоящее время существует децентрализованная система метрологического обеспечения, при которой в качестве образцовых средств используют генераторы влажности, принцип действия которых основан на использовании уравнения упругости насыщенных паров. Изготовленный подобным образом генератор влажного газа и находящийся во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, г. Санкт-Петербург, выполняет функцию рабочего эталона 2-го разряда, от которого фактически передаётся единица относительной влажности воздуха к метрологическому оборудованию предприятий и серийно выпускаемым ими гигрометрам.
При постановке на производство гигрометров относительной влажности, в первую очередь была поставлена задача по метрологическому обеспечению всего процесса градуировок и поверок, что привело к необходимости создания собственного оригинального генератора влажного газа, отвечающего по своим характеристикам требованиям поставленных задач, включая его метрологическую аттестацию и внесение в Госреестр СИ РФ.
Согласно принятой классификации, можно выделить 6 основных методов создания влажного газа с требуемыми параметрами [3, 52]: 1_. Метод фазового равновесия над насыщенными растворами солей и кислот; 2. Метод двух давлений, 3 Метод двух температур; 4 Метод двух давлений и двух температур; 5 Метод фазового равновесия над жидкой или твёрдой фазой, 6 Метод смешения двух потоков сухого и влажного газов. L Сущность метода фазового равновесия над насыщенными растворами солей (кислот) заключается в том, что, согласно закону Рауля, над водным раствором какого-либо вещества устанавливается равновесная относительная влажность, зависящая от концентрации раствора: где: у - мольное отношение смеси «вода - растворённое вещество»; М„, Мс - молекулярные массы воды и растворённого вещества.
В состоянии гигрометрического равновесия, при наличии в воде солевой фракции, давление водяного пара над водным раствором ниже, чем над чистой водой. Степень снижения давления пара зависит от вида растворённого вещества, его концентрации и температуры.
Используя насыщенные растворы различных солей, можно создавать в пространстве над раствором влажный газ с различными значениями парциального давления, которым будут соответствовать различные, гарантированные с определённой степенью, значения относительной влажности [3, 7].
Техническая реализация солевых гигростатов базируется именно на том факте, что конкретные насыщенные растворы солей генерируют определённую влажность над своей поверхностью.
Как видно из приведённых в таблице 7. данных, перечень из 13 солей перекрывает практически весь требуемый диапазон относительной влажности. В литературе приводятся также другие данные по свойствам насыщенных солевых растворов [3, 52, 57].
Проведённый А.А. Бегуновым метрологический анализ совокупности литературных данных по солевым насыщенным растворам [3] показывает, что достоверность задания определённого уровня относительной влажности указанным способом не лучше, даже в идеальном случае, чем (1 н- 3) % относительной влажности, в зависимости от используемой соли.
Известно достаточно большое количество стационарных конструкций таких солевых гигростатов [3, 52] и портативных вариантов их исполнения.
Фирма VAISALA (Финляндия) производит портативные калибраторы влажности типа НМК15 [57], специально предназначенные для калибровки/проверки гигрометров собственного производства, и содержащие насыщенные раствором четырёх солей: a) LiCl, RH = (11 ± 1,3) %; б) MgCl2, RH = (33 ± 1,2) %; в) NaCl, RH = (75 ± 1,5) % и K2S04, RH = (97 ± 2) %.
Немецкая фирма TESTO предлагает в комплект поставки для своих гигрометров портативные калибраторы влажности, содержащие насыщенные растворы двух солей: LiCl, RH = 11,3 % и NaCl, RH = 75,3 % [58].
Фирма АКТАКОМ (Россия) предлагает для гигрометров серии «АТТ-5000» (совместное производство с Тайванем) два калибратора влажности: АТТ-5533, содержащий соль MgCl2, RH = 33 % и АТТ-5573, содержащий соль NaCl, RH = 75 %, [59].
Разновидностью метода фазового равновесия является использование водно-глицериновых растворов различной концентрации [3, 60]. В Таблице 8 приведены данные по уровням относительной влажности, создаваемыми водно-глицериновыми различной концентрации (плотности) и при различных температурах таких растворов, согласно [60].
Применение такого метода затруднительно при серийном производстве в силу его малой производительности, длительности циклов задания и поддержания уровней влажности.
Измерение температуры платиновыми термометрами сопротивления. Компенсация собственной нелинейности, схемотехника, методы прецизионной настройки измерительных трактов в условиях серийного производства
Зависимость между температурой t (С) и сопротивлением платинового датчика Rt описывается уравнением Каллендар - Ван Дусена [8, 85], одной из интерпретаций которого является соотношение, используемое в современной технической литературе [14-16]: Rt=R fl + A + B2-1000-c3+c4V (32) где: Ro = 1000,00 Ом при to = 0 С, для выбранного типа датчиков; А, В, С - константы, несколько различающиеся для датчиков различных производителей, в силу разной степени чистоты используемой платины, [85].
Используются двух-, трёх- или четырёхпроводные схемы подключения датчика к измерительному устройству [14, 85], причём двух- проводная схема подключения наиболее часто применяется при создании портативных приборов, поскольку подводящие провода являются весьма короткими, не более 10 см, сопротивлением которых можно пренебречь, либо учесть при градуировке прибора.
Схемотехника температурного измерительного тракта для приборов, не содержащих микропроцессор, представлена на рис.19.
При проектировании низковольтных микропроцессорных приборов приходится сталкиваться с рядом дополнительных требований к схемотехнике измерительного преобразователя: низковольтное однополярное питание с напряжением не более 3 ч- 5 В, причём напряжение на входе АЦП, встроенного в микропроцессор, не должно превышать, как правило, величины 2,5 В, с другой стороны, обеспечение чувствительности и точности измерения температуры на уровне не хуже 0,05 н- 0,1 С, ставит задачу максимально усилить сигнал от датчика температуры и гарантировать высокую линейность передаточной характеристики измерительного и вычислительного трактов прибора.
Наличие точных единых паспортных данных на температурозависимые параметры датчиков ставит также задачу формирования измерительного преобразователя, обеспечивающего «идеально» точную передаточную характеристику, на уровне не хуже 0,01 - 0,1 %, и не содержащего при этом в своём составе подстроечных элементов.
Реализованная таким образом схемотехника входного преобразователя позволит обеспечивать процесс серийного производства прецизионных измерителей температуры, не требующих в процессе их изготовления процедур градуировки и калибровки на физических эталонах температуры.
С учётом вышеуказанных требований и ограничений автором было разработано, экспериментально исследовано и внедрено в серийное производство два варианта измерительного преобразователя для платинового датчика температуры типа Pt-1000, [86]:
1. Схема измерительного преобразователя, работающего от однополярного питания напряжением +5,00 В, с выходным напряжением не более 2,500 В, обеспечивающего измерение температуры в диапазоне от -40 С до +70 С, с крутизной преобразования 10 мВ/С по выходу, (рис. 26.).
В этой схеме R1 - токозадающий резистор, обеспечивающий ток через датчик Pt не более 1 мА, во избежание его саморазогрева [14]. Первый каскад на ОУ D1 обеспечивает усиление температурного сигнала в 6,5 раз и выполнен на основе ОУ типа «Railo-rail», выходное напряжение которого может достигать напряжения питания. Второй каскад на ОУ D2 обеспечивает сдвиг измеряемого напряжения вниз на величину UREF = 1,230 В, что обеспечивает совместимость по уровню выходного напряжения U0ut с уровнем входа АЦП, встроенного в 12 - разрядный микропроцессор.
Предложенная автором схема второго каскада, представляющая собой повторитель напряжения с большим смещением входного напряжения, отличается от известной [74] наличием двух прецизионных источников опорного напряжения VD1, VD2, выполненных на микросхемах типа LM385Z-1,2, вырабатывающих стабилизированное напряжение UREF = 1,230 В, и отсутствием потенциометра настройки.
Представленная на рис.26, схема не содержит элементов регулировки, а точность градуировочной характеристики определяется допусками на резисторы R1 -R3 (0,01 -г- 0,1 %), точностью поддержания напряжения питания Ucc=5.000 В ±0,001 В, стабильностью опорного напряжения UREF, ТОЧНОСТНЫМИ характеристиками ОУ1 D1, D2, что вполне обеспечивается соответствующей современной элементной базой [80].
Необходимо отметить, что для выбранного источника опорного напряжения типа LM385Z-1,2 максимальный технологический разброс его напряжения составляет ±2% [87], т.е. ± 25 мВ, что может служить источником дополнительной аддитивной погрешности измерения температуры, достигающей величины ± 0,6 С. Для устранения этой погрешности автор использовал метод предварительного отбора микросхем LM385Z-1,2, имеющих значение UREF = 1,230 ± 0,0005 В.
Выходное напряжение схемы Uout связано с измеряемой температурой t линейной зависимостью: t = a-Uout + b (33) где: а и b - константы, определяемые параметрами измерительного тракта. В нашем случае, при величине токозадающего резистора Rl = 10 кОм: а = 100,19 С/В;Ь = -172,97 С (33а)
Вычисление значений t по (33, 33а) производится 12-разрядным микропроцессором, с промежуточной точностью вычислений 0,01 С и округлением конечного результата до 0,1 С.
Оценка предельной разрешающей способности тракта по измерению температуры проводится сопоставлением диапазона изменения напряжения Uout (от 0 до 2,5 В) с разрядностью МП.
Исходя из практического опыта, 12-разрядный МП гарантированно обеспечивает обработку входного аналогового сигнала с разрядностью не более 11. Таким образом, предельное разрешение по входу АЦП МП составит не лучше, чем 2,5 В : 2 = 1,22 мВ, что соответствует разрешению по температуре 0,12 С. С учётом двойного запаса на помехи и наводки получаем, что фактическое разрешение по измерению температуры составит 0,2 н- 0,3 С. Это приведёт к тому, что при цене младшего разряда равной 0,1 С, на дисплее прибора будут наблюдаться случайные выбросы, шумы с амплитудой 0,2 -н 0,3 С.
Если проектируется прибор с заданной точностью по температуре 0,5 С, то представленное на рис.26, схемотехническое решение приемлемо, а подавление помех и шумов может дополнительно обеспечиваться специальными программно -вычислительными методами, правда, за счёт увеличения длительности цикла измерения - вычисления.
С целью дальнейшего повышения точности измерения температуры автором предложен второй вариант схемы измерительного преобразователя, имеющего параметры [86]: однополярное напряжение питания +5,00 В, выходное напряжение не более 2,500 В, измерение температуры в диапазоне от -5 С до +60 С, с крутизной преобразования 40 мВ/С и предельной разрешающей способностью 0,05 -s- 0,08 С, см. рис.27.
Измерение тепловой облучённости объектов. Расчётные соотношения, аппаратная реализация, метрологическое обеспечение
Область нормального атмосферного давления в Санкт-Петербурге составляет 97,3 -5- 106,7 кПа [100], что даёт значения погрешности 5Vp в пределах от -3 % до +5 %, для термоанемометра, калиброванного при давлении Ро = 100 кПА. Согласно нормативным требованиям на термоанемометры, они должны функционировать в диапазоне окружающих давлений от 80 до ПО кПа [101], что приводит к увеличению погрешности 8Vp , в пределах от -15 до +10 %.
Полученный результат приводит к необходимости вводить барометрическую коррекцию показаний. Наиболее оптимальным представляется оснащать термоанемометрические приборы каналом измерения атмосферного (окружающего) давления, вводить в программу данных корректирующий множитель П, тогда VHCT=n-V„3M, (56) Аналитическое выражение для вычисления значений П с требуемой точностью представимо как: где: Р - атмосферное давление в момент измерения, кПа.
Датчики атмосферного давления относятся к классу датчиков абсолютного давления, их номенклатура весьма широка [7, 14, 15, 16]. Чувствительный элемент пьезорезистивного датчика давления представляет собой четыре идентичных диффузионных резистора, расположенных на поверхности кремниевой диафрагмы и включённых по мостовой схеме. Давление, прикладываемое к диафрагме, приводит к изменению сопротивления этих резисторов, и выходное сопротивление моста пропорционально величине оказанного давления. В датчиках абсолютного давления измерения производятся относительно вакуума, созданного в опорной полости датчика при его производстве.
Основными погрешностями измерения давления являются смещение нуля, погрешность линейности передаточной характеристики, температурный дрейф смещения нуля и чувствительности.
С целью снижения указанных погрешностей в технологию производства датчиков разработчики ввели лазерную подгонку смещения нуля и чувствительности с помощью дополнительных тонкоплёночных резисторов и встроенные цепи температурной компенсации. При выборе конкретного типа датчика давления решается вопрос об оптимальном отношении «цена/качество» выбираемого датчика и сложности его схемотехнической поддержки в проектируемом приборе. При разработке канала измерения атмосферного давления был выбран относительно недорогой датчик абсолютного давления типа 24PCCFA6A производства корпорации Honeywell, адаптация которого в измерительную схему прибора учитывала рекомендованные схемы его включения [14, 15, 16]. Разработанный канал измерения атмосферного давления имеет характеристики: диапазон измеряемых давлений: от 80 до ПО кПа; предел допускаемой основной абсолютной погрешности: ±0,5 кПа, что даёт неопределённость барометрической коррекции термоанемометрических каналов, согласно (56) и (57), не хуже, чем ±0,4 % (V).
В разработанном на предприятии «ТКА» многоканальном комплексе «Кеерег-П», имеющем канал измерения давления, информация об измеренном давлении выводится как на дисплей прибора, так и обеспечивает коррекцию показаний по подвижности воздуха, согласно уравнению (56).
Для расчёта параметров инфракрасного (ИК) излучения при определении тепловой облучённости необходимо знать величину энергетической светимости М(Т), зависящую от температуры объекта [103].
В связи с тем, что любая пирометрическая система способна регистрировать ИК излучение лишь в ограниченном диапазоне длин волн, определяемых спектральными характеристиками чувствительности приёмника излучения и оптической системы, то расчёт значений М(Т) производится для соответствующего диапазона спектра (Xj - Х2): М(Х1,Х2,Т)=/м(Х,Т)оХ (58) где: Xi, \i - границы спектрального интервала чувствительности, мкм, а М(А,,Т) - спектральная плотность энергетической светимости абсолютно чёрного тела (АЧТ), при температуре Т, определяемая формулой Планка: -5 -1 ехр -1 М(Х,Т) = сгЛ XJ (59) -2 4 где: сі = 37415 Втхм -мкм ; сг = 14388 мкм-К.
Сложность пирометрических расчётов заключается в том, что для ограниченного спектрального диапазона интеграл в формуле (58) не выражается через элементарные функции, что требует, в частности большого объёма машинной памяти для хранения массива исходного данных, имеющих вид таблиц.
В практике учитываются приближения, позволяющие, в ряде случаев упростить расчёты: а) интеграл в (58) для бесконечного спектрального диапазона, когда Х\ = 0; - , дает выражение Стефана-Больцмана: М(0,оо,Т)=о-Т4, (60, а) б) для случая, когда произведение Х-Т 3000 мкм-К, используется приближение Вина: 137 М(0, \,Т)=С!- exp Т, v J 1NlTJ —+-X3 ґс }21т; 3 +-2X2 6N —+3 X 61т; (60, б) причём, М(ХЬ Я.2, Т) = М(0, к2,Т) - М(0, А.ЬТ), (60, в) в) для произведения Х Т 8-10 мкм-К справедливо выражение Рэлея-Джинса. м(о,хд)= (60, г) [т)
Для промежуточной области значений произведения Х,Т, когда использование приближений (60, б) и (60, г) недопустимо, но именно в которой производятся расчёты в рамках поставленной задачи, автором предложено два аналитических выражения, справедливые для области изменения параметра Х.-Т от 10 до 9-10 мкм-К, [104]:
