150945 (594616), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Текущие значения количества электричества, затраченного в процессе электролиза, будут отображаться на блоке индикации 11. Процесс подсчета импульсов будет продолжаться до тех пор, пока код на выходе счетчика не окажется равным коду цифры, занесенному ранее в регистр памяти. В момент их сравнения в блоке управления ключом 12 схема совпадения сформирует сигнал на коммутацию токового ключа 13 (размыкание). Процесс электролиза прекратится.

В составе комплекса, в зависимости от области использования (в сильноточных или слаботочных цепях постоянного тока) в качестве установок для электролиза могут применяться: электролитическая ванна, электролитический аккумулятор; в качестве измерительных датчиков тока - прецизионный резистор, электрический компенсатор, трансформатор постоянного тока, выполненный на основе магнитного усилителя, а в качестве ключей коммутации тока – пускатели, контакторы, а также тиристоры или транзисторы, управляемые через оптоэлектронные пары.

Развернутая структурная схема рассматриваемого технического комплекса и описание его работы представлены в [13]. В настоящей работе подробному анализу будут подвергнуты лишь отдельные элементы измерительной системы.

Требования, которые предъявляются к измерительным системам, аналогичным рассматриваемой, со стороны метрологии, перечислены в [12, 45] и распространяются на все применяемые компоненты данной системы. Согласно основным положениям этих требований необходимо соблюдать условие о том, что в любом, отдельно взятом элементе системы, операция передачи или преобразования входного сигнала в выходной должна производиться с заданной степенью точности, а именно:

первичный датчик (преобразователь тока в напряжение) должен независимо от электрических параметров цепи, в которой он используется, (слаботочной, сильноточной) обеспечить преобразование формы и уровня входного сигнала в унифицированный параметр, несущий информацию о происходящем процессе;

линия связи должна обеспечить передачу информативного параметра входного сигнала, получаемого от источника в операционный блок для его обработки без изменений;

информационный сигнал в операционном блоке должен претерпеть пропорциональные преобразования, соответствующие функции, возложенной на этот блок.

4. АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.1 Оценка погрешности квантователя по вольт-секундной площади и способы ее снижения

Квантователь является важнейшим звеном измерительной системы, входящей в состав дозирующего устройства. Погрешности квантователя самым непосредственным образом влияют на точность измерений и, соответственно будут влиять на точность дозирования.

Точность дозирования в первую очередь зависит от стабильности размера кванта количества электричества – q₀. Этот параметр является основной метрологической характеристикой дозирующего устройства. Его величина численно равна максимальному заряду на емкости интегратора в течение одного такта интегрирования. Она зависит от электрических параметров схемы интегрирующего усилителя и должна оставаться стабильной на протяжении всего периода его работы.

Величина кванта q₀ пропорциональна размеру вольт-секундной площади S₀, которая численно равна интегралу от мгновенных значений напряжения, подаваемого на вход квантователя в течение одного такта интегрирования Т_Ц:

(4.1)

Основным критерием точности является стабильность размера кванта q₀, что адекватно отражается на стабильности вольт-секундной площади S₀.

Реальные цифровые измерительные устройства, наряду с наличием методических погрешностей преобразований, всегда обладают инструментальными погрешностями, которые определяются суммарным влиянием погрешностей отдельных узлов устройства, вызываемых различными факторами, непосредственно влияющими на стабильность размера кванта, а, следовательно, и на стабильность вольт-секундной площади S₀.

Методики расчета погрешностей, предлагаемые отдельными авторами [19, 36, 38, 39], позволяют с определенной достоверностью учитывать погрешности измерительных преобразователей, вызванные неидеальностью основных параметров ОУ. Превалирующим по степени влияния на точность является интегратор. При расчетах, наряду с интегратором, аналогичным образом можно учесть погрешности всех ОУ, входящих в структуру преобразователей.

Погрешности квантователя в первую очередь определяются неточностью выполнения операции интегрирования и нестабильностью порогов срабатывания компаратора в течение одного цикла работы, и вызваны они, в основном, изменением коэффициентов усиления операционных усилителей, дрейфами напряжения смещения и тока смещения [28].

Эти изменения характеризуются неидеальностью основных параметров операционных усилителей, а именно: входным сопротивлением, не равным бесконечности; выходным сопротивлением, не равным нулю; коэффициентом усиления не равным бесконечности; инерционностью усилителя; дрейфом нуля усилителей [28].

Для проведения анализа погрешностей рассмотрим схему квантователя, которая представлена на рисунке 2.6.

Поскольку схема работы квантователя является двухтактной, то в зависимости от положения устройства коммутации в разные моменты времени структура квантователя неодинакова. В связи с этим для определения его погрешности будем вести расчет для каждого из двух возможных положений аналогового ключа. В первом случае проведем анализ погрешности цепи “инвертор – аналоговый ключ – интегратор - компаратор”, а во втором – цепи “повторитель напряжения – аналоговый ключ – интегратор - компаратор ”. По окончании расчета примем за погрешность квантователя максимальное из полученных значений.

Рассчитаем погрешность инвертирующего усилителя. Как известно, погрешности усилителей определяются неточностью используемых резисторов и неидеальностью операционных усилителей.

В качестве операционного усилителя выбираем микросхему К544УД2, параметры которой приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1- Параметры микросхемы К544УД2

Сначала вычислим мультипликативные погрешности. Погрешность некомпенсации

δ_нк=100/(1+К₀β)=100/(1+20000*1)=0,00499% (4.2)

Синфазная помеха

δ_сс=10^-mсс/20*100%=10^-70/20*100%=0,0316% (4.3)

Рассчитаем мультипликативную погрешность, возникающую из-за неточности применяемых резисторов. В качестве резисторов R₁ и R₂ выбираем С2-29В 10 кОм с допуском по сопротивлению 0,05% и ТКС=±5*10^-6 1/ºC. Тогда

δ_R=δ_R1+δ_R2+(ТКС_R1+ТКС_R2)ΔT*100%=0,05+0,05+(5*10^-6+5*10^-6)5*100%=0,105% (4.4)

Для компенсации погрешности, обусловленной протеканием тока I_BX в цепь неинвертирующего входа ОУ КР544УД2 при заданных параметрах цепи – R₁=R₂=10 кОм и параметрах ОУ необходимо установить резистор коррекции

R₃=R₁R₂/(R₁+R₂)=1010 / (10+10)=5 кОм.

Выбираем R₃ = 5,1 кОм типа С2-29В.

Находим суммарную мультипликативную погрешность

δ_мульт=δ_нк+δ_сс+δ_R=0,00499+0,0316+0,105=0,14159% (4.5)

Далее определим аддитивные погрешности инвертора. Погрешность, вызванная дрейфом нуля усилителей _ТКе0

_ТКе0=ТКе₀*ΔТ*100/U_{вх.макс}=50*10^-6*5*100/10=0,025% (4.6)

Аддитивная погрешность, вызванная неидеальностью источника питания

_КВНПе0=КВНПе₀*ΔЕ_пит*100/U_вх=300*10^-6*0,5*100/10=0,0015% (2.25)

Суммарная аддитивная погрешность

_адд=_ТКе0+_КВНПе0=0,0025+0,0015=0,004% (4.7)

Результирующая погрешность инвертора

_Σ=_мульт+_адд=0,14159+0,004=0,14559% (4.8)

Определим погрешность аналогового ключа. Погрешность от неидентичности ключей вызывается нестабильностью сопротивлений r_k1 и r_k2 . С учетом того, что R r_k имеем

(4.9)

где r_k1 и r_k2 – изменение сопротивлений замкнутых ключей под воздействием внешних факторов или старения. Действия некоторых факторов можно уменьшить схемными решениями. Нелинейность сопротивления ключа при открытом состоянии и зависимость его от температуры можно ослабить подключением последовательно с ключом резистора, сопротивление которого значительно больше сопротивления ключа. Сопротивление полевых транзисторов в открытом состоянии обычно колеблется от 50 до 200 Ом. Включение резистора сопротивлением 25 кОм последовательно с транзистором практически исключает погрешность, вызванную нелинейностью и зависимостью сопротивления ключа от температуры [36]. Ключи на полевых транзисторах, выполненные в виде одной интегральной схемы имеют, как правило (r_k1 – r_k2), не более нескольких единиц Ом, поэтому для уменьшения погрешностей рекомендуется величину R выбирать в диапазоне 10⁴ 10⁵ Ом.

При использовании аналоговых ключей типа КР590КН4(r_kоткр 75 Ом), сопротивления R₄ =10 кОм, а также (r_k1–r_k2) 10 Ом погрешность, вызванная изменением сопротивлений замкнутых ключей

_КЛ = (r_k1 – r_k2)100 / R₄ = 10100 / 10000= 0,1% (4.10)

Рассчитаем погрешность интегратора. В качестве операционного усилителя для интегратора выбираем микросхему типа ОУ574УД3, параметры которой приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2- Параметры микросхемы К574УД3

Проводим расчет мультипликативных погрешностей. Находим относительные погрешности от нелинейности интегрирования в соответствии с формулами

_Л1=100*t/K₀τ=100*10*10^-3/20000*10*10³*10^-6=0,005% (4.11),

где τ=R₄C₁– постоянная времени интегратора. Выбрав величину R₄, согласно рекомендации приведенной выше, определим емкость интегратора

C = _ИНТ /R. (4.12)

Если на вход интегратора подать ступенчатый сигнал, амплитуда которого на протяжении некоторого времени будет постоянна, то в процессе интегрирования можно точно определить изменение выходного напряжения во времени, которое представляет собой наклонную прямую с полярностью, противоположной полярности входного сигнала.

U_ВЫХ = -(1/R₄C₁)U_ВХdt = -(1/R₄C₁)(U_ВХt) (4.13)

Характеристики

Список файлов ВКР