ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Общие принципы конструирования промежуточных измерительных преобразователей вибрационных плотномеров

Как правило, выходным сигналом преобразователей вибрацион­ного типа является частота или период переменного тока, которые за­висят как от контролируемого параметра, так и от различного рода влияющих величин, например температуры, давления, скорости сре­ды или ее неоднородности и др. В этих условиях промежуточный из­мерительный преобразователь должен выполнять функции специали­зированного устройства, реализующего операции линеаризации, кор­рекции, масштабирования, преобразования в унифицированный вы­ходной сигнал и др. Современные тенденции в приборостроении рас­крывают все новые возможности в проектировании преобразователей частотных сигналов. В первую очередь эти направления обязаны посто­янному совершенствованию элементной базы приборостроения, появ­лению электронных компонентов с высокой степенью интеграции. Такое совершенствование не только уменьшает размеры аппаратуры и увеличивает ее надежность, но и позволяет пересмотреть схемотех­нические решения. Так, без существенного удорожания устройств ста­новится возможным строить схемы с высокой функциональной избы­точностью, а также реализовать в измерительном преобразователе слож­ные вычислительные алгоритмы. К числу других направлений следует отнести все большее распространение частотного представления ин­формации и ее отображения в виде цифровых или буквенных индек­сов. В подавляющем большинстве случаев первичные измерительные преобразователи дают на выходе полезный сигнал в виде отклонения частоты ст некоторого начального значения, поэтому почти все суще­ствующие измерительные схемы используют дифференциальный ме­тод измерения, когда из общего выходного сигнала вычитается его неинформативная часть.

В зависимости от формы представления выходной информации (напряжение, ток, частота следования импульсов, код) в схемах ис­пользуют различные типы устройств, а потому различны и пути дости­жения заданной точности измерения. В широкопредельных приборах схема должна содержать специальные узлы, выполняющие функции линеаризации статической характеристики первичного преобразовате­ля. Наиболее точными являются устройства, производящие обработ­ку информации, переносимой частотными сигналами, поскольку они отличаются высокой помехоустойчивостью. Кроме того, в канале срав­нения у таких устройств используются генераторы с кварцевой стаби­лизацией частоты, обладающие несравненно большей точностью, чем стабилизаторы напряжения. Однако узлы, выполняющие те же функции в частотной форме, более сложны, а для настройки схемы требуются высокостабильные генераторы с плавной перестройкой — устройства сложные и дорогие.

Приемлемых технико-экономических показателей можно добиться за счет создания комбинированных частотно-амплитудных устройств, в которых основные операции при обработке сигнала совершаются в частотной форме, а точная настройка на измеряемый диапазон и кор­рекции дополнительных погрешностей — в амплитудной. Этим удает­ся сочетать высокую точность частотных схем с удобством настройки амплитудных.

Особую и наиболее перспективную группу составляют устройства, производящие обработку сигналов в виде кодов. Широкая популяр­ность таких преобразователей объясняется простотой и функциональ­ным разнообразием вычислительных алгоритмов, а также точностью преобразования частоты в код [26]. Современный уровень развития микроэлектроники позволяет создавать надежные и миниатюрные изделия с самыми сложными структурами. Такие преобразователи работают в комплекте с различными частотными устройствами, в том числе и с вибрационными плотномерами, и позволяют считывать ре­зультат непосредственно в единицах измеряемого параметра.

Характерной особенностью вибрационно-частотных преобразова­телей плотности является сравнительно малое изменение выходного сигнала, соответствующее рабочему диапазону возможных значений контролируемого параметра. Как правило, у реальных преобразова­телей относительная девиация частоты выходного сигнала составляет не более 1—2% его значения в начальной точке диапазона измерения. Кроме того, для плотномеров, резонаторы которых изготовляют из нержавеющих сталей или титана, необходимо учитывать еще одну осо­бенность, заключающуюся в том, что их чувствительность к измене­нию температуры контролируемой среды соизмерима с чувствитель­ностью к изменению основного параметра — плотности. Именно эти два указанные обстоятельства и определяют основные требования к структуре и принципу действия промежуточных измерительных пре­образователей. Так, в частности, при использовании дифференциаль­ного метода измерения сравнительный канал схемы должен иметь от­носительную нестабильность опорного сигнала, не превышающую 10“3 — 10“4%. Высокими метрологическими показателями должен обладать и канал преобразования температуры контролируемой среды, кото­рый генерирует корректирующий сигнал и вычитает его из основного.

Задача разработки промежуточных измерительных преобразовате­лей для большинства случаев практического использования вибрацион­ных плотномеров облегчается тем, что можно пренебречь нелинейно­стью статической характеристики резонатора, поскольку в производ­ственных условиях, как правило, требуется измерять небольшие от­клонения плотности среды (25—100 кг/м3) от некоторого номиналь­ного значения, т. е. контролировать ее в узком диапазоне возможных значеций. Возникающая при этом погрешность линейности номиналь­ной градуировочной характеристики незначительна и может быть уч­тена в общей погрешности всего плотномера. Однако преобразователь, предназначенный для работы в широком диапазоне плотности жидкос­тей, должен комплектоваться измерительной схемой, содержащей блоки линеаризации градуировочной характеристики. Кроме того, при разработке измерительных схем необходимо обеспечить их универ­сальность, главным требованием которой является легкость перест­ройки схемы с одного диапазона измерения на другой, а также лег­кость ее согласования с различными первичными измерительными прео бразо в ате л ями.

Широкое разнообразие условий применения плотномеров в раз­личных отраслях народного хозяйства делает нецелесообразной раз­работку единой схемы промежуточного измерительного преобразо­вателя, пригодного для всех случаев измерительной практики. Если в каких-либо производствах автоматический контроль и управление базируются на использовании аналоговых средств с регистрацией па­раметров стандартными самописцами, то вполне может подойти плот­номер с унифицированным выходным сигналом в форме напряжения постоянного тока (0—100 мВ) или силы тока (0—5 мА). В этом слу­чае промежуточный измерительный преобразователь является более простым и дешевым и обладает вместе с тем удовлеторительной точ­ностью обработки информации.

Для высокоточного измерения плотности жидкостей или определе­ния связанных с ней технологических параметров и физических харак­теристик необходим преобразователь, обрабатывающий сигналы в час­тотной или кодовой форме. Перспективное направление в разработ­ке и создании преобразователей, отличающихся широкой универсаль­ностью и высокой точностью, открывает использование устройств на основе программируемой логики (микропроцессоров) [32, 33]. По­скольку структура промежуточного измерительного преобразовате­ля определяется видом корректирующего температурного сигнала, способом его обработки, а также формой представления выходного сигнала, целесообразно подразделять их на аналоговые и цифровые с амплитудным или частотным термо компенсирующим каналом.