ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Промежуточный измерительный преобразователь с амплитудным термо компенсирующим каналом

Преобразователи с амплитудным термокомпенсирующим каналом наиболее эффективны при измерении приведенной к начальной тем­пературе плотности жидкости в узком интервале ее возможных зна­чений. Необходимость автоматизации указанных измерений характер­на для большого числа производств химической, нефтехимической, пищевой и других отраслей промышленности с регистрацией показа­ний стандартными самописцами. В качестве температурного канала в таких преобразователях плотности, разработанных у нас в стране и за рубежом, используется неравновесная мостовая схема с одним или двумя терморезисторами, приводимыми в тепловой контакт с контро­лируемой средой. При использовании двух терморезисторов контроли­руется температура на входе и выходе жидкости из механического резонатора, что позволяет повысить точность термокомпенсации.

На рис. 4.4 представлена структурная схема промежуточного изме­рительного преобразователя вибрационного измерителя приведенной плотности жидкости с аналоговым выходным сигналом 0-5 мА. Час­тотный сигнал первичного преобразователя 7777 плотномера подается на вход делителя частоты Д1 (микросхема 155ИЕ6), коэффициент деления которого устанавливается при настройке в соответствии с выбранным временем одного измерения ти :

Полученное значение коэффициента деления Кд] округляется до ближайшего меньшего целого числа. Опорный кварцевый генератор ОГ подключен ко входу делителя частоты Д2, выполненного на аналогич­ной микросхеме. С выходов обоих делителей сигналы поступают на вход преобразователя период - код ППК в виде 12-разрядного двоич­ного счетчика (микросхемы 155ИЕ7), где происходит преобразование полезного сигнала путем его заполнения импульсами, следующими с Д2. Полученный параллельный двоичный код подается на преобразова­тель код — напряжение ПКН в виде 12-разрядного цифро-аналогового преобразователя ЦАП К572ПА2 с внешним источником опорного на­пряжения ИОН и выходным операционным усилителем (не показан

Коэффициент деления делителя частоты Д2 находится из выражения

^Д2 /о. г А ^макс^Ді/А/сч*

где /0 г — частота опорного генератора; NC4 — емкость счетчика импуль­сов преобразователя период — код.

Неинформативная часть выходного сигнала первичного измеритель­ного преобразователя ГН(0МИН), соответствующая периоду колеба­ний резонатора при начальном значении контролируемой плотности и минимальной температуре жидкости, устраняется путем многократ­ного заполнения и обнуления счетчика импульсов, следующих с дели­теля частоты Д2. Число таких последовательных заполнений счетчика определяется отношением п = Тн (0МИн)М7макс и может отличать­ся от целого числа, поэтому перед каждым циклом измерения в счет­чик импульбов следует ввести двоичный код, соответствующий чис­лу N0, равному

Wo =NC4( - An),

где Ап — разность между расчетным значением п и ближайшим мень­шим целым числом.

Вводимый код формируется с помощью специальных переключате­лей или перемычек, кодируемых в соответствии с заданным диапазо­ном измерения плотности и температурным интервалом среды. Темпе­ратурная коррекция выходного аналогового сигнала промежуточно­го преобразователя осуществляется блоком термо компенсации ТК в виде неравновесного моста, в одно из плеч которого, включен преоб­разователь температуры ПТ (металлический или полупроводниковый термо резистор). Корректирующий сигнал вводится в схему путем алгебраического суммирования в сумматоре С (микросхема 140УД6Б). На третий вход сумматора подается напряжение с корректора нуля КН, с помощью которого производится плавная установка нуля на входе преобразователя напряжение — ток ПНТ (микросхема 140УД6Б).

Оценку погрешности промежуточного измерительного преобразо­вателя Дпр проведем в единицах контролируемого параметра — плот­ности жидкости. Для этого воспользуемся соотношением Дпр =ДГ/АТ, в котором АТ — абсолютная погрешность, выраженная в единицах периода колебаний; Ат = 0,5 Т0а 0 //Г+ я о Р с р ~ чувствительность первичного измерительного преобразователя плотномера, работающе­го в режиме измерения периода колебаний резонатора. Результирую­щая погрешность промежуточного преобразователя определяется по­грешностями отдельных блоков и при условии их независимости друг от друга может быть представлена следующей приближенной форму­лой:

(4.21)

Определим каждую из составляющих, входящих в эту формулу. Абсолютная погрешность обусловленная нестабильностью пре­

образователя период - код, может быть выражена соотношением

где S/7/7/C = ± (&ог + 1/^сч) “ относительная погрешность преобразо­вателя, определяющаяся относительной нестабильностью частоты опор­ного генератора Ьог и емкостью счетчика NC4.

Относительная стабильность опорного генератора с кварцевой ста­билизацией частоты может обеспечивать погрешность Ьог = Ю_6 ~ 10“9 [26], которой вполне допустимо пренебречь. Тогда с учетом вы­ражения (4.18) погрешность Дяя/С преобразователя с 12-разрядным счетчиком выразится формулой

(4.22)

Погрешность Дяат/ преобразователя код—напряжение определя­ется относительной погрешностью преобразования ЦАП К572ПА2, которая с учетом нестабильности источника опорного напряжения мо­жет составлять Ьцдц =5-10"3 [48]. Тогда, по аналогии с формулой

(3.22) , можно записать равенство

Значительное влияние на результирующую погрешность промежу­точного преобразователя оказывает нестабильность блока темпера­турной коррекции. В общем случае погрешность Дjk определяется нестабильностью статической характеристики термо резистора, источ­ника питания Неравновесного моста, а также нелинейностью его стати­ческой характеристики. Даже при условии индивидуальной градуиров­ки терморезистора погрешность нелинейности статической характе­ристики неравновесного моста, в лучшем случае, может быть доведе­на до значения 5НЛ = 0,258R(2 + 8R), в котором 8R — относитель­ное изменение сопротивления терморезистора в диапазоне температур (©макс - ©мин) [56]. Например, если 8R =0,4, погрешность нелиней­ности составит 5НЛ % 4,2 10“2. Таким образом, относительная неста­бильность напряжения источника питания неравновесного моста пре­небрежимо мала по сравнению с его относительной погрешностью нели­нейности и можно считать, что 8 тк ^ 5Hjl. Абсолютная погрешность блока температурной компенсации, выраженная в единицах контро­лируемого параметра, определится как

Проведенный анализ свидетельствует о том, что общая погрешность преобразователя, работающего по рассматриваемой схеме, практичес­ки полностью определяется погрешностью канала автоматической тем­пературной коррекции и может иметь достаточно большое значение. В качестве примера оценим погрешность промежуточного измеритель­ного преобразователя плотномера, работающего в диапазоне контроли­руемых плотностей от 1000 до 1100 кг/м3 и интервале возможных температур среды от 0 до 100 °С. Плотномер измеряет плотность нефте­продуктов, приведенную к начальной температуре @0 =20 °С и выпол­нен на базе трубчатого резонатора из нержавеющей стали Х18Н10Т с параметрами, указанными в табл. 4.2 и 4.6, кроме того, примем коэф­фициент объемного расширения контролируемой жидкости равным av =7*10“”4 К"1. Проведя расчеты отдельных составляющих общей по­грешности по приведенным ранее формулам и подставив полученные результаты в формулу (4.21), получим

Дпр = [0,032 + 0,622 + (-0,001)2 + 1,022]0’5 =1,19 кг/м3. 106

Полученное значение результирующей погрешности промежуточно­го измерительного преобразователя может вполне удовлетворить тре­бованиям, предъявляемым к точности контроля параметров большого числа технологических процессов, если учесть, что эта погрешность со­измерима с погрешностью ареометров с плавающим поплавком, широ­ко применяемых в заводских лабораториях.