Алгоритм работы и калибровка

5.1 Алгоритм работы.

После подачи питания следует дождаться прогрева датчика. Данная процедура занимает около 8 минут. Затем напряжение разбаланса моста усиленное усилителем по дифференциальной схеме попадает на вход АЦП.

Результат преобразования АЦП записываеться в ячейку оперативных данных устройства затем пересчитываеться контроллером в процент содержания метана в атмосфере. Каждый раз по запросу сервера контроллер выдает данные которые требовались в запросе.

5.2 Калибровка

Перед вводом в эксплуатацию каждый канал должен быть откалиброван. Так как каждый датчик имеет индивидуальную чувствительность, которая со временем уменьшаеться.

5.2.1 Калибровка угла наклона характеристики преобразования.

Клалибровка коэфициента преобразования начинаеться с проведения измерения при нормальных условиях и отсутствии метана. После прогрева датчика и окончания преобразования АЦП в ПЗУ записываються калибровочные данные:

· результат преобразования канала напряжения датчика

· результат преобразования канала тока датчика

Далее датчик помещают в газовую камеру, которая заполнена бинарной смесью из метана и воздуха с концентрацией метана 2,5%. Результат перобразования напряжения датчика даст нам вторую точку для вычисления характеристики преобразования канала.

Расчет угла наколна характеристики выполняеться оператором вручную

Полученный коэфициент имеет размерность 10^-4/код.

Специальной командой оператор записывает в ПЗУ данный коэфициент.

Такая калибровка должна проходить не реже чем раз в месяц. Такая частота калибровки обусловлена старением датчика и понижением его увствительности. Так в овремя подобной калибровки можно выявить отказ датчика. Варианты отказа датчика:

· Понижение чувствительности ниже 10мв/%

· Разность напряжений на воздухе выше 0,04 В.

5.2.2 Ежедневная калибровка.

Проводиться перед началом работы по запуску спец команды. Данная калибровка проводиться в нормальных условиях при отсутсвии метана в атмосфере. После прогрева датчика в ПЗУ записываеться начальное значение напряжения на датчике которе соответсвует началу отсчета шкалы.

Окончательная формула преобразования выглядит следующим образом

6 Расчет метрологических характеристик измерительно канала

Расчет характеристик будет проводиться в соответствии методикой расчета метрологических характеристик МИ 222-80

Расчет погрешностей узлов ИК.

Датчик ТХМ 2.8 имеет нормированые метрологические характеристкики

· Дипазон измерения

· Характеристику преобразования

· Основные и дополнительные погрешности измерения

Диапазон измерения датчика ТХМ 2.8 от 0 до 2,5% о.д. метана, все остальные характеристики нормируються в этих пределах.

Харктеристика перобразования датчика в общем виде в диапазоне от 0 до 99% концентрации метана она выглядит как показано на рисунке

Рис 6.1

Даже внутри диапазона измерения градуировочная харктеристика может изменяться со временем, это обусловлено старением датчика. Номинальная характеристика имеет вид:

(6.1)

Где к изменяеться в пределах 25..40 мв/%, а с концертрация метана.

Так же характеристика имеет не линейный характер и имеет погрешность преобразования до 0,15% о.д метана. Имееться ряд других погрешностей датчика, такой как начальная разность сопротивлений датчика и компенсирующего элемента.которая не должна превышать 0,04 В от выходного сигнала. Максимальное значение погрешности смещения нуля датчика не превышает 1% о.д.

Масштабирующее устройство

Имеет диапазон преобразования обусловленный опорным напряжением АЦП (3 В) и нижним порогом в 1,4 В.

Номинальная харктеристика преобразования была выведена в пункте 3.3.1.

(6.2)

Расчет погрешностей номрирующего устройства

Расчитаем коэфициент услиения схемы.

Для идеального операционного усилителя с отрицательной обратной связью напряжения на входах равны.

(6.3)

Так как система линейна мы можем расчитывать влияние каждого входа по отдельности. Расчитаем влияние сигнала с датчика на неинвертирующий вход.

(6.4)

Влияние сигнала с инвертирующего входа.

(6.5)

После привдения этого уравнения к виду U_вых= f (U₁)

(6.6)

Напряжение питания датчика равно 2,8 В (из ТУ)

Выведем зависимость погрешности выходного сигнала от значения погрешности каждого резистора.

R₁

Воспользуемся формулой малых приращений.

(6.7)

Продефернцируем выражение (6.5) по R1.

(6.8)

Преобразуем выражения (6.8) для относительной погрешности.

(6.9)

Возьмем резистор с классом точности 1%. В итоге мы получим что он дает на максимальную погрешность в 2,5%.

Расчет погрешности вносимой от R₂

(6.10)

(6.11)

Возьмем резистор с классом точности 1%. В итоге мы получим что он дает на максимальную погрешность в ±2,5%.

Расчет погрешности вносимой R₃

(6.12)

(6.13)

Возьмем резистор с классом точности 1%. В итоге мы получим что он дает на максимальную погрешность в ±10%.

Погрешности вызываемые отличием операционного усилителя от идеального:

1. Наличие тока утечки

2. Разность токов утечки на различных входах

3. наличие напряжения смещения

4. Усиление синфазного сигнала

5. Конечный коэффициент усиления услителя

Ток утечки создает дополнительное падение напряжения на измерительной схеме и приводит к смещениею разности потенциалов на входе усилителя.

На эту погрешность выделим 0,1% от общей погрешности. Ниже приведены эквивалентные схемы для расчета влияния тока утечки.

Рис 6.2 Эквивалентная схема неинвертирующего входа

Рис 6.3 Эквивалентная схема инвертирующего входа

Напряжение смещения по неинвертирующему входу соответствует следующему выражению.

(6.14)

А по иневертирующему согласно рис 6.3 соответсветсвенно

(6.15)

Погрешность создает разница этих напряженийи в основном определяеться иневертирующим входом, так как ток утечки проходящий через низкоомный датчик создает падение напряжения на порядки меньше чем ток проходящий ток проходящий через делитель и резистор обратной связи.

Напряжение смещения, приведенное ко входу, которое соответсвует 0,1% погрешности равно 25 мкВ. Что соответсвует 300 пА.

Разница входных токов.

Так как при расчете влияния тока утечки на схему мы пренебрегли входным током на неинвертирующем входе, то можно считать что погрешность вызвыемая разницей токов 300 пА и есть погрешность от тока утечки.

Напряжение смещения.

Это разница потенциалов которая возникает на входах усилителя. Характер погрешности случайная, аддитивная.

Выделим на эту погрешность 0,02%.

Это напряжение приложено ко входу.

(6.16)

Где U соответствует разнице напряжений между выходом датчика и напряжением на инверсном входе, при коэф преобразования 10мВ/%.

Максимальное напряжение смещения равно 5 мкВ.

Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ.

Синфазный сигнал приложенный ко входу равен 1,4 В.

Эту погрешность не стоит рассматривать так как бошльинство ОУ имеют КОСС в пределах 10^-6-10^-7.что даст нам погрешность меньше 0,01%.

Ограниченное усиление: коэффициент усиления без обратной связи не бесконечен (типичное значение 10⁶ ÷ 10⁷ на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра: коэффициент усиления без обратной связи в небольшое число раз.

Выбор источника питания для датчика.

Так как погрешности от резисторов нивелируються калибровкой. То для источника питания погрешность мы можем выделить погрешность в 1%.

Второе требование это большой выходной ток. По данным из ТУ по ТХМ 2,8 максимальный потребляемый ток датчиком это 200 мА.

Для этого подойтет микросхема от Texas Instrumetns REG102-2.8 который имеет погрешность в 0,5% и гарантирует максимальный ток в 300 мА.

АЦП имеет свое семейство погрешностей. Такие как

· Диференциальная нелинейность

· Интегральая нелинейность

· Погрешность смещения

· Ошибка усиления

· Шум квантования

При проведении процедуры калиброки каждого АЦП, а так же при использовании множественных измерений для уменьшения влияния шума квантования остаеться неисключаема погрешность АЦП которая не превышает 3,5 МЗР. Что равно 0,18%.

Общая характеристика преобразования

Расчет погрешностей по МИ 222-80

Покажем номинальную функцию преобразования ИК

Номинальная функция преобразования узла канала выглядит как показано в (6.17)

(6.17)

Сумарная номинальная функция преобразования ИК описана МИ выглядит следующим образом

После подстановки коэфициентов получаем

601)+1911

Расчет реальной характеристики преобразования

Так как мы используем калибровку в точках 0% о.д и 2,5% то мы можем не учитывать постоянные случайные погрешности, такие как погрешность нормирующего узла, а так же начальное смещение датчика.

Взамен мы получим дополнительную погрешность от эталонной смеси в 0.04% од.

Функция преобразования будет выглядеть

Это сумма неисключаемых методических погрешностей и погрешность эталона. Методические погрешности:

· Представление нелинейной характеристики датчика линейной зависимостью

· Представление характеристики АЦП как линейной с известным коэфициентом.

Для вычисления сумарной погрешности приведем погрешность АЦП к значению в объемных долях метана.

о.д

0,196

Вывод

В результате иследовательской работы был расчитан измерительный канал конценртации метана, для системы аэрогазовго контроля в шахтах. Данная работа показала, что расчет и проектировани подобных каналов требует введения калибровки как обязательным пунктом работы с устройством. Так как самая большая погрешность это погрешность смещения нуля датчика. Результатом работы стал расчет канала с точностью 0.196 о.д.,что меньше чем 0.2 о.д. как в требовании положений по АГЗ.

Приложение 1.

«100. Система АГК, осуществляющая контроль метана, при концентрации метана выше предаварийной уставки - 1% объемной доли, осуществляет автоматическое отключение электрооборудования в контролируемом помещении, включение принудительного проветривания и звуковой и (или) световой сигнализации.

102. Система АГК в соответствии с проектными решениями по АГК обеспечивает:

1) телеизмерение концентрации метана в надбункерных и иных помещениях обогатительных фабрик и поверхностных технологических комплексов шахт и разрезов, связанных с приемкой, хранением и погрузкой газоносных углей;

2) световую и (или) звуковую телесигнализацию, если концентрация метана превышает предаварийный пороговый уровень - 1% объемной доли.

115. В состав технических средств системы АГК входят следующие стационарные технические устройства:

а) датчики состава и параметров рудничной атмосферы, запыленности, скорости (расхода) воздуха;

б) подземные устройства контроля и управления, которые обеспечивают прием данных от датчиков, их обработку и передачу на рабочее место оператора АГК и (или) горного диспетчера, прием команд телеуправления от оператора АГК и (или) горного диспетчера, выработку и осуществление управляющих воздействий;

в) устройства звуковой и (или) световой сигнализации, осуществляющие в горных выработках оповещение персонала об аварийной ситуации на контролируемом объекте;

г) устройства питания, обеспечивающие нормальное функционирование системы АГК при отсутствии электроснабжения в горных выработках;

д) линии связи, устройства, обеспечивающие передачу данных, и барьеры искробезопасности;

е) наземные устройства, обеспечивающие сбор, обработку, отображение и хранение информации, получаемой от технических средств системы АГК, расположенных в горных выработках.

116. Все подземные искробезопасные линии связи (контроля, управления) и питания системы АГК гальванически отделены от поверхностных линий связи (контроля, управления) и силовых сетей.

120. Система АГК (в зависимости от назначения) должна иметь измерительные каналы (далее - основные измерительные каналы) и соответствующие им датчики, обеспечивающие измерение:

а) концентрации метана;

б) скорости воздушного потока или расхода воздуха;

в) концентрации оксида углерода;

г) концентрации кислорода;

д) концентрации диоксида углерода;

е) содержания пыли в воздухе рабочей зоны.

Для контроля перечисленных параметров используется система АГК, которая является измерительной системой, имеет соответствующие измерительные каналы и сертификаты об утверждении типа средства измерения.

123. Стационарные метанометры не должны терять работоспособность после воздействия на них метана с концентрацией до 100% объемной доли.

144. Дополнительно к требованиям пунктов 22, 35, 49, 62, 79 и 89 настоящего Положения система АГК автоматически блокирует производственную деятельность на выемочных участках:

а) при отказах датчиков метана и связанных с ними подземных устройств контроля и управления;

б) при обрывах линий питания датчиков метана и связанных с ними подземных устройств контроля и управления;

в) при обрывах линий связи (исчезновении связи) между датчиками метана и подземными устройствами контроля и управления;

г) при обрывах линий управления (исчезновении связи) между исполнительными устройствами системы АГК (датчиками, подземными устройствами контроля и управления с пороговыми элементами) и защищаемым оборудованием электроснабжения контролируемого участка.

159. Предаварийное (опасное) значение контролируемого параметра определяется при преодолении предаварийной уставки (порогового уровня).

Предупредительное значение контролируемого параметра определяется в случае, если контролируемый параметр не преодолел предаварийный пороговый уровень, но отличается от него менее чем на 10%.

Нормальное (допустимое) значение контролируемого параметра определяется для исправного датчика, если не преодолен предаварийный пороговый уровень.

177. Система АГК содержит основные измерительные каналы, обеспечивающие измерение концентраций метана и оксида углерода, скорости (расхода) воздуха, кислорода, диоксида углерода и содержания пыли в воздухе рабочей зоны. Система АГК содержит средства контроля (индикации) дополнительных параметров, которые могут быть включены в перечень измерительных каналов в соответствии проектными решениями по АГК.

180. В обязательном порядке система АГК имеет нормируемые метрологические характеристики:

1) предел основной допустимой абсолютной погрешности измерения концентрации метана в диапазоне 0 - 2,5% объемной доли не должен превышать 0,2% объемной доли;

2) время срабатывания АГЗ (сигнализации) для стационарных метанометров, устанавливаемых в горных выработках, не должно превышать 15 секунд;»

Список литературы

1 Г.Г. Раннев А.П. Тарасенко методы и средства измерения с 147

2 Г Виглеб Датчики, устройство и применение

3 Информация с сайта Уралтехиз спецификация на ДМС 03

4 Документация на устройства системы фирмы Emag

5 Положение об аэрогазовом контроле

Дата добавления: 2015-07-20