Проектирование информационно-измерительных систем

СОДЕРЖАНИЕ
TOC \o "1-3" \h \z \u ВВЕДЕНИЕ PAGEREF _Toc73991321 \h 31ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИЗМЕРЕНИЯ PAGEREF _Toc73991322 \h 72РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИС PAGEREF _Toc73991323 \h 83ВЫБОР ПЕРВИЧНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ PAGEREF _Toc73991324 \h 104ВЫБОР ВТОЧИНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ PAGEREF _Toc73991325 \h 175РАСЧЕТ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ PAGEREF _Toc73991326 \h 24ЗАКЛЮЧЕНИЕ PAGEREF _Toc73991327 \h 33СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ PAGEREF _Toc73991328 \h 34

ВВЕДЕНИЕДавление характеризуется силой, равномерно распределенной поповерхности. В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па). Паскаль– давление силы в 1 ньютон на площадь в 1 квадратный метр.В технических измерениях допускается единица давления килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м2) и внесистемные единицы: килограмм-сила наквадратный сантиметр (кгс/см2), которую называют технической атмосферой(ат), миллиметр водного столба (мм вод. ст.), миллиметр ртутного столба (ммрт. ст.).
Средства измерения давления классифицируют по виду измеряемогодавления и принципу действия. По принципу действия средства измеренийдавления подразделяются на: жидкостные, поршневые, деформационные,ионизационные, тепловые, электрические. В настоящее время существуетбольшой парк средств измерений давления, позволяющий осуществитьизмерение давления в диапазоне 10-12 – 1011 Па.
Приборы для измерения давления газа различаются по своему устройству и принципу действия и подразделяются по:
виду измеряемого давления;
назначению;
принципу действия;
классу точности.
По виду измеряемого давления приборы, предназначенные для определения точных показателей, делят на манометры, вакуумметры, тягомеры, напоромеры, барометры и другие.
В зависимости от степени защищенности от влияния внешней среды производят следующие приборы:
стандартные;
защищенные от попадания пыли;
водонепроницаемые;
защищенные от агрессивных сред;
взрывоустойчивые.
Одно изделие может сочетать в себе несколько видов защиты.
Манометр представляет собой небольшой по размерам прибор, с использованием которого измеряют давление или разность давлений. Принцип работы этого контрольно-измерительного прибора зависит от его внутреннего устройства.
Чтобы измерить абсолютное давление, показатели которого отсчитывают от абсолютного нуля (вакуума), применяют абсолютные манометры. Избыточное давление определяют манометром избыточного давления. Большинство разновидностей манометров предназначено для измерения величин избыточного давления. Их особенность в том, что они показывают давление, представляющее разницу между абсолютным и атмосферным.
Вакуумметры – это устройства, показывающие значение давления разреженного газа. Применяя мановакуумметры, измеряют избыточное давление и давление разреженного газа.
С помощью напоромеров определяют параметры избыточного давления со значениями до 40 кПа. Тягомеры, напротив, позволяют измерить разреженность до минус 40 кПа. Тягонапоромерами измеряют разреженность и избыточное давление в интервале от минус 20 до плюс 20 кПа.
Дифференциальными манометрами можно определить разность давлений в двух подлежащих исследованию произвольных точках. Микроманометр – это дифманометр, позволяющий измерить значения разности давлений в пределах 40 кПа.
В зависимость от механизма считывания показания газовые манометры делят на:
деформационные;
электрические;
грузопоршневые;
жидкостные.
В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная давлению деформация или сила преобразуются в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. Большинство деформационных манометров и дифманометров содержат упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки.
Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы представлены на рис. 1. К их числу относятся трубчатые пружины, сильфоны, плоские и гофрированные мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром.

Рисунок 1 – Упругие чувствительные элементы деформационных манометров
а – трубчатые пружины; б – сильфоны; в, г – плоские и гофрированные мембраны; д – мембранные коробки; е – вялые мембраны с жестким центром
Электроконтактный манометр – это датчик, который применяется для измерения избыточного и вакуумметрического давлений в разных средах (жидкость, газ, пар), используется в качестве сигнализирующего устройства прямого действия и позволяет управлять производственными процессами, при этом особым условием к среде является исключение ее кристаллизации.
ЭКМ применяется для выдачи сигналов управления исполнительным механизмам, которые поддерживают значения давления в трубопроводе, а также компрессорных установках, гидросистемах, пневмооборудованиях или бытовых автоклавах на определённом значении.
Грузопоршневые манометры относятся к числу наиболее точных приборов для измерения давления, поэтому они и применяются главным образом для градуировки и поверки образцовых и рабочих манометров. Принцип действия их основан на уравновешивании измеряемого давления, действующего на свободно перемещающийся в цилиндре поршень силой, создаваемой калиброванными грузами.
Принцип действия их основан на уравновешивании измеряемого давления, действующего на свободно перемещающийся в цилиндре поршень силой, создаваемой калиброванными грузами.

ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИЗМЕРЕНИЯИзмерительная система (далее – ИС) представляет собой совокупность средств измерения и других средств измерительной техники, размещенных в разных точках объекта измерения, функционально объединенных с целью измерений одной или нескольких величин, свойственных этому объекту [1].
Классификационные признаки ИС, отражающие область применения, функции и конструкцию:
функциональное назначение;
вид и характер входных величин;
вид выходной информации;
вид структурно-функциональной схемы ИИС;
принцип построения.
Для решения поставленной задачи ИС имеет назначение – измерение давления газа в закрытом резервуаре в диапазоне от 1,5 до 2,0 МПа. Выходной информацией является результат измерения давления, выводимый на автоматизированное рабочее место (далее – АРМ) оператора. ИС является одноканальной системой последовательного действия.
Основным показателем качества ИС как средства измерений, отражающим ее назначение и специфику конкретного применения, является показатель достоверности выдаваемой информации, т.е. погрешность измерения, которая для поставленной задачи не должна превышать 0,2 %.

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИСПри проектировании ИС необходимо руководствоваться системотехническим подходом. ИС представляет собой некоторую иерархическую структуру, верхним уровнем которой является АРМ оператора, а нижним – первичный измерительный преобразователь (датчик), контактирующий с измеряемым объектом. На промежуточном уровне находится вторичный измерительный преобразователь (микропроцессорное вычислительное устройство, контроллер).
Верхний уровень ИС представлен АРМ оператора.
Назначение подсистемы нижнего уровня – измерение выходного сигнала датчика, накопление измерительной информации, ее первичная обработка и передача на верхний уровень системы.
В качестве каналов связи между элементами ИС используется проводная связь, в том числе внутри крейта. Последовательность первичных и вторичный преобразователей и каналов связи, обеспечивающая преобразование измеряемой величины в цифровой код, называется измерительным каналом (ИК).
Датчик преобразует измеренное значение давления в унифицированный сигнал силы постоянного тока. Электрический сигнал с выхода датчика поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) модуля ввода аналогового сигнала контроллера с последующим преобразованием его в цифровой код. Дальнейшая обработка сигнала происходит в процессорном модуле контроллера, где из цифрового кода производится пересчет в значение измеряемой величины. Результат измерений заносится в блок данных контроллера и с этого блока доступен для считывания и отображения на АРМ оператора. Структурная схема ИС представлена на рисунке 1.
59143894833Датчик
Контроллер
АРМ оператора
Аналоговый сигнал
Цифровой сигнал
00Датчик
Контроллер
АРМ оператора
Аналоговый сигнал
Цифровой сигнал

1291978571500
Рисунок 1 – Структурная схема измерительного канала
Контроллер ИС выполняет как вычислительные функции по предварительной обработке измерительной информации (аналогово-цифровое преобразование), так и другие функции, такие как:
организация процедуры калибровки измерительного канал и хранения калибровочных констант в энергонезависимой памяти;
обеспечение связи с АРМ оператора;
индикация состояния каждого из каналов и общего состояния модулей контроллера.
Питание контроллера и сервера осуществляется от источника бесперебойного питания.

ВЫБОР ПЕРВИЧНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯДатчик давления ЭЛЕМЕР-100
Датчики давления «ЭЛЕМЕР-100» (далее – датчики) предназначены для измерений и непрерывного преобразования значений исбыточного давления, давления разрежения, абсолютного давления, разности давлений и гидростатического давления (уровня) жидких и газообразный, а также избыточного давления-разрежения газообразных, в том числе агрессивный, сред, включая газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси, в унифицированный выходной токовый сигнал и (или) цифровой сигнал HART-протокола.
Принцип действия основан на использовании зависимости между измеряемым давлением и упругой деформацией мембраны первичного преобразователя.
Датчики изготавливаются в виде единой конструкции. В их состав входят: первичный преобразователь, электронное устройство и индикатор. В качестве первичного преобразователя используются танзорезистивные (пьезорезистивные), тензорезистивные с компенсацией влияния рабочего избыточного (статического) давления и емкостные преобразователи давления. Среда под давлением подается в камеру первичного преобразователя и деформирует его мембрану, что приводит к изменению электрического сопротивления расположенных на ней тензорезисторов (пьезорезисторов) или емкости конденсатора, одним из электродов которого является мембрана персиыного преобразователя. Электронное устройство преобразует сигнал, поступающий от первичного преобразователя, в унифицированный выходной сигнал постоянного тока и цифровой сигнал HART-протокола.
Посредством инрефейса датчики подключаются к компьютеру для подстройки пределов измерений и конфикурирования. Конфигурирование датчиков включает в себя изменение диапазонов измерений, выбор зависимости выходного сигнала от входного (возрастающей с выходными унифицированными сигналами от 4 до 20 мА, от 0 до 20 мА, от 0 до 5 мА или убывающей с выходными унифицированными сигналами от 20 до 4 мА, от 20 до 0 мА, от 5 до 0 мА) и установку времени демпфирования.
При использовании HART-протокола датчики передают информацию об измеряемой величине в цифровом виде по двухпроводной линии связи вместе с сигналом постоянного тока от 4 до 20 мА, не оказывая на него влияния. Цифровой выход испольуется для связи датчика с портативным HART-коммуникатором или с компьютером через стандартный последовательный интерфейс и дополнительный HART-модем. При этом могут быть выполнены такие операции, как: настройка датчика, выбор его основных парметров, чтение измеряемого давления. HART-протокол допускает одновременное наличие в системе двух управляющих устройств: системы управления в виде компьютера с HART-протоколом и портативного HART-коммуникатора. Датчики могут распознать и выполнить команды каждого из управляющих устройств, имеющих разные адреса и осуществляющих обмен данными в режиме разделения времени канала связи.
На индикаторе датчика или HART-коммуникаторе в режиме измерения давления отображается значение измеряемого давления в цифровом виде в установленных при настройке единицах измерения или в процентах от диапазона изменения выходного сигнала. Измеренные значения давления также отображаются на шкальном (барографическом) индикаторе в процентах от полной шкалы. Фотография общего вида датчиков представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Датчик давления ЭЛЕМЕР-100
Основные метрологические и технические характеристики датчиков приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные характеристики датчиков
Наименование характеристики Значение
Максимальный верхний предел измерений, МПа 2,5
Предел допускаемой основной приведенной погрешности измерений, % ±0,15
Вариация выходного сигнала, в долях от основной приведенной погрешности 0,5‧γ
Выходной сигнал силы постоянного тока, мА от 4 до 20
Пределы допускаемой дополнительной приведенной погрешности измерений, вызванной изменением температуры окружающей среды в диапазоне рабочих температур, на каждые 10 ºС, % ±(0,05+0,5‧РВMAX/PB)
Средняя наработка на отказ, ч 150000
Быстродействие 100 мсРВMAX – максимальный верхний предел измерений модели датчика;
PB) – верхний предел измерений модели датчика.
Датчики давления Метран-150
Датчики давления Метран-150 предназначены для измерения давления избыточного, абсолютного, разности давлений, гидростатического давления. Датчики обеспечивают непрерывное преобразование давления в аналоговый выходной сигнал постоянного тока и/или в цифровой выходной сигнал в стандарте протокола НАRT.
Датчики предназначены для измерения давления рабочих сред: жидкости, пара, газа.
Датчики предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности (в том числе в пищевой промышленности при контакте с пищевыми продуктами и питьевой водой).
Датчики с HART-протоколом могут передать информацию об измеряемой величине в цифровом виде по двухпроводной линии связи вместе с сигналом постоянного тока (4 – 20) мА. Этот цифровой сигнал может приниматься и обрабатываться любым устройством, поддерживающим протокол HART. Цифровой используется для связи датчика коммуникатором или с персональным компьютером через стандартный последовательный порт и дополнительный HART-модем, при этом может выполняться чтение измеряемого давления, настройка датчика, выбор его основных параметров, перестройка диапазонов измерений, корректировка "нуля" и ряд других операций. HART-протокол допускает в системе наличие двух управляющих устройств: системы управления и ручного коммуникатора. Эти два управляющих устройства имеют разные адреса и, следовательно, Метран-150 может распознать и выполнить команды каждого из них.
Таким образом, по двухпроводной связи передается два типа сигналов − аналоговый сигнал (4 – 20) мА и цифровой сигнал на базе протокола HART, который накладывается на аналоговый выходной сигнал датчика, не оказывая на него влияния.
Общий вид датчиков давления Метран-150 представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Общий вид датчиков давления Метран-150
Основные метрологические и технические характеристики датчиков приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Основные характеристики датчиков
Наименование характеристики Значение
Максимальный верхний предел измерений, МПа 6
Предел допускаемой основной приведенной погрешности измерений, % ±0,1
Вариация выходного сигнала, в долях от основной приведенной погрешности γ
Выходной сигнал силы постоянного тока, мА от 4 до 20
Пределы допускаемой дополнительной приведенной погрешности измерений, вызванной изменением температуры окружающей среды в диапазоне рабочих температур, на каждые 10 ºС, % ±(0,02+0,03‧РВMAX/PB)
Назначенный срок службы, лет 15
Быстродействие 100 мсРВMAX – максимальный верхний предел измерений модели датчика;
PB) – верхний предел измерений модели датчика.
Датчики давления EJX530A Yokogawa
Преобразователи (датчики) давления измерительные EJX предназначены для непрерывных измерений избыточного давления, разности давлений жидкости, газа или пара и преобразований в унифицированный электрический выходной сигнал постоянного тока и/или цифровой сигнал для передачи по протоколу HART.
Принцип действия преобразователей (датчиков) давления измерительных EJX основан на резонансно-частотном методе преобразования давления. Чувствительный элемент выполнен на базе монокристалла кремния. Преобразователи (датчики) давления измерительные EJX состоят из кремниевого резонансно-частотного преобразователя, электронного блока и корпуса. Сенсор состоит из измерительного блока и платы аналого-цифрового преобразователя
Преобразователи (датчики) давления измерительные EJX имеют исполнение с жидкокристаллическим дисплеем. Верхний предел измерений (ВПИ) зависит от применяемого кремниевого резонансно-частотного преобразователя.
Общий вид преобразователей (датчиков) давления измерительных EJX представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Датчик давления EJX530A
Датчик обеспечивает быстрый отклик, позволяет осуществлять дистанционный контроль и установку параметров посредством цифровой связи, располагает функцией диагностики и дополнительным выходом состояния для сигнализаций по верхнему/нижнему пределу давления. Многоточечная технология измерения обеспечивает расширенную диагностику, позволяющую выявлять такие нарушения, как блокировка импульсной линии или поломка теплотрассы.
Основные метрологические и технические характеристики датчиков приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Основные характеристики датчиков
Наименование характеристики Значение
1 2
Максимальный верхний предел измерений, МПа 10
Предел допускаемой основной приведенной погрешности измерений, % ±0,25
Выходной сигнал силы постоянного тока, мА от 4 до 20
Пределы допускаемой дополнительной приведенной погрешности измерений, вызванной изменением температуры окружающей среды в диапазоне рабочих температур, на каждые 10 ºС, % ±(0,15 от шкалы+0,15 от ВПИ)
Назначенный срок службы, лет 20
Быстродействие 90 мсРВMAX – максимальный верхний предел измерений модели датчика;
PB) – верхний предел измерений модели датчика.
Обзор датчиков давления
Все представленные датчики давления утвержденного типа и внесены в Государственный реестр средств измерений, подлежат поверке.
У всех представленных датчиков одинаковая номинальная статическая характеристика:
I=IН+IВ+IНPВ+PН∙P-PН (1)Где: I – текущее значение выходного сигнала;
Р – значение измеряемой величины;
Iв, Iн – соответственно верхнее и нижнее предельные значения выходного сигнала;
Рв – верхний предел измерений;
Рн – нижний предел измерений.
Датчики давления ЭЛЕМЕР-100 и Метран-150 полностью удовлетворяет требованиям
Основная погрешность измерения датчика давления EJX530A составляет 0,25 %, что больше требуемой точности измерений.
Выберем более точный датчик давления Метран-150.

ВЫБОР ВТОЧИНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯПрограммируемый контроллер Siemens S7-300
SIMATIC S7-300 – это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.
Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.
Система ввода-вывода программируемого контроллера S7-300 может включать в свой состав две части: систему локального и систему распределенного ввода-вывода. Система локального ввода-вывода образуется модулями, устанавливаемыми непосредственно в монтажные стойки контроллера. Система распределенного ввода-вывода включает в свой состав станции распределенного ввода-вывода и приборы полевого уровня, подключаемые к контроллеру через сети PROFINET, PROFIBUS DP и AS-Interface.
В зависимости от типа используемого центрального процессора системы локального ввода-вывода программируемых контроллеров S7-300 могут включать в свой состав до 8 или до 32 сигнальных, функциональных и коммуникационных модулей. Все модули устанавливаются в монтажные стойки контроллера, функции которых выполняют профильные шины S7-300.
В состав системы может входить одна базовая (CR) и до трех стоек расширения (ER). В каждой стойке может размещаться до 8 сигнальных, функциональных и коммуникационных модулей. В стойке CR устанавливается центральный процессор.
Соединение стоек осуществляется с помощью интерфейсных модулей. Каждая стойка снабжается собственным интерфейсным модулем, устанавливаемым в смежный с центральным процессором разъем и обеспечивающим автономное обслуживание связи с другими стойками системы.
Применение интерфейсных модулей IM 365 позволяет подключать к базовой стойке одну стойку расширения, удаленную на расстояние не более 1м. Интерфейсные модули IM 360 и IM 361 позволяют подключать к базовой стойке до 3 стоек расширения. Расстояние между стойками в этом случае может достигать 10м. Система локального ввода-вывода программируемого контроллера S7-300 с CPU 312/ CPU 313 может включать в свой состав не более 8 сигнальных, функциональных и коммуникационных модулей. Все модули в этом случае размещаются на одной монтажной стойке.
Технические характеристики модулей контроллера измерений и управления представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Технические характеристики модулей контроллера
Наименование,
тип модуля Краткая техническая
характеристика Значение
1 2 3
1. Центральный процессор CPU 315-2 PN/DP
6ES7315-2EH14-0AB0
Оперативная память;
Flash-память;
Порт связи Ethernet;
Порт связи ProfiBusНапряжение питания
Потребляемая мощность
Рабочая температура
128 кбайт
8 Мб
1
1
20,4 - 28,8 В
2,5 Вт
0 – 60°С
2. Интерфейсный модуль IM 360 в центральной стойке
6ES7360-3AA01-0AA0
Назначение
Максимальное расстояние передачи
Потребляемая мощность Расширение шины (мастер)
до 10 м
2 Вт
3. Модуль CP 342-5 PROFIBUS DP для подключения SIMATIC S7-300
6GK7342-5DA02-0XE0
Количество каналов
Протокол обмена
Скорость передачи
Потребляемый ток
Рабочая температура 1
ProfiBus DP
до 12 Мбит/с
0,25 А
0°С- 60°С
4. Модуль аналогового ввода 8 AI; 14 бит; 20мс; потенциально разв.
6ES7331-7KF02-0AB0
Количество каналов
Разрядность АЦП
Тип входного сигнала
Частота опроса (на модуль)
Полоса пропускания (-3 дБ)
Подавление синфазного сигнала
Предельная погрешность
Входное сопротивление
Защита от перенапряжения
Групповая гальваноразвязкаПотребляемая мощность
Рабочая температура 8
16
10 В
176 мс50 Гц
70 дБ
± 0,8 %
100 кОм
до 20 В
групповая
1 Вт
0 – 60°C
5. Модуль цифрового вывода 32 DO, DC 24 В, 0,5 A; потенциально разв.
6ES7322-1BL00-0AA0
Количество каналов
Тип выходного сигнала
Коммутационная нагрузка
Групповая гальваноразвязкаДопустимая разность потенциалов
Потребляемая мощность 32
до 30 В
до 7 мА
по 16 канал
60 В
6,5 Вт
6. Блок питания нагрузки PS 307; AC 120/230 В, DC 24 В, 2A
6ES7307-1BA01-0AA0
Входное напряжение
Выходное напряжение
Номинальный выходной ток
КПД
Потребляемая мощность
Буферизация исчезновения напряжения сети ~230 В
24 В ± 5%
2 А
83 %
58 Вт
не менее 20 мс7. Блок питания PS 307; 120/230 В переменного тока, 24 В, 5 А постоянного тока
6ES7307-1EA01-0AA0
Входное напряжение
Выходное напряжение
Номинальный выходной ток
КПД
Потребляемая мощность
Буферизация исчезновения напряжения сети ~230 В
24 В ± 5%
5 А
87 %
138 Вт
не менее 20 мсПредел допускаемой основной погрешности измерения ± 0,1 %
Программируемый контроллер National InstrumentsПрограммируемый контроллер NI CompactRIO представляет собой многофункциональную встраиваемую систему сбора данных и управления, разработанную для задач, требующих высокою производительность и надёжность измерительных и управляющих систем.
Функциональная гибкость, обеспечиваемая средой разработки LabVIEW даёт возможность графически создавать приложения для контроллера реального времени и ПЛИС, входящих в состав NI CompactRIO.
Встраиваемое шасси CompactRIO – это основной компонент платформы CompactRIO. Ядро шасси – это ПЛИС для реконфигурируемого ввода/вывода сигналов. Каждый модуль ввода/вывода имеет прямой доступ к каналам ПЛИС и программируется с использованием простых функций ввода/вывода. Ввод/вывод сигналов с каждого модуля точно синхронизирован (с погрешностью 25 нс), за счет прямого подключения модулей к сигнальным линиям ПЛИС. Интерфейсом между ПЛИС и процессором реального времени служит шина PCI.
Модули NI 9201, NI 9203, NI 9205, NI 9215, NI 9219, NI 9221, NI 9234, NI 9235, NI 9236, NI 9237 предназначены для измерения напряжения, силы электрического тока и электрического сопротивления путем преобразования входной величины в цифровой код. АЦП применяются в автоматизированных системах измерения и контроля электрических величин, а также неэлектрических величин в комплекте с первичными измерительными преобразователями различных типов, при жестких условиях эксплуатации.
АЦП представляют собой многоканальные модули, в которых входные аналоговые сигналы преобразуются в цифровой код. Модули устанавливаются в слоты шасси типа National Instruments, к которому подключается компьютер с соответствующим программным обеспечением. Управление режимами АЦП и обработка измерительной информации могут производиться с помощью программы LabVIEW или других программ компании National Instruments. Подключение источника сигнала производится к контактам на передней панели модулей.
Технические характеристики модулей контроллера измерений и управления представлены в таблице 5.
Таблица 5 – Технические характеристики модулей контроллера
Наименование,
тип модуля Краткая техническая
характеристика Значение
1 2 3
1. Центральный процессор, маршрутизатор NI 6101
Оперативная память;
Flash-память;
Порт связи Ethernet;
Напряжение питания
Потребляемая мощность
Частота
Рабочая температура
128 кбайт
8 Мб
1
35 В
35 Вт
2,4 ГГц
-20 – 55 °С
2. Модуль аналогового ввода NI9203
Ток (±20 мА)
Разрядность
Частота оцифровки
Скорость отсчетов
Потребляемая мощность
Изоляция 16 бит
800 кГц
200000/сек
400 Вт
3. Модуль цифрового вывода NI 9474
Быстродействие
Напряжение
Ток
Изоляция канала/земля 1 мкс5 – 30 В
8 А
4. Модуль для хранения данных NI 9802
Скорость чтения/записи
Объем SD-карт
Количество карт 2 МБ/с
4 ГБ
2
Относительная погрешность измерений (0,5+0,45R/M) %, где R – верхний предел входной измеряемой величины; М – значение входной измеряемой величины.
Выберем наиболее точные программируемые контроллеры Siemens S7-300.

РАСЧЕТ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫОценка погрешности ИС
ИС является разновидностью средства измерений и должна удовлетворять всем метрологическим правилам и нормам. Как и для всех средств измерений, метрологическое обеспечение в первую очередь должно предусматривать:
определение номенклатуры нормируемых метрологических характеристик, позволяющих оценить погрешность результата измерения, и методов их оценки в процессе эксплуатации;
обеспечение поверки или калибровки.
В процессе получения результата измерения участвуют основные компоненты измерительного канала: датчик, контроллер, линии связи, ПЭВМ.
Погрешность датчика давления составляет 0,1 %.
Погрешность контроллера составляет 0,1 %.
Погрешность ПЭВМ не значительна и ей можно пренебречь.
Линии связи не вносит погрешность, так как информация передается в помехозащищенном коде.
Т.к. для расчета погрешности ИС используются только два компонента, то она определяется по формуле:
γИС = γПИП + γВИП = 0,1 + 0,1 = 0,2 % (2)
Условия и режимы работы ИС
Различают нормальные и рабочие условия эксплуатации СИ. Им соответствуют не возмущённый и возмущённый режим измерений.
Нормальными считаются такие условия эксплуатации СИ, при которых погрешностью измерений из-за воздействия помех можно пренебречь или эта погрешность не превышает, например, 35 % от допустимого значения погрешности измерений СИ (ГОСТ 8.050-73). Такие условия эксплуатации СИ устанавливаются в нормативных документах на СИ конкретного типа или при их поверке, то есть являются результатом соглашения между разработчиком и заказчиком СИ. Обычно считается, что при нормальных условиях эксплуатации СИ выполняются следующие положения:
соблюдены требования по установке и монтажу СИ;
параметры окружающей среды (температура окружающей среды, отклонение атмосферного давления, относительная влажность воздуха и другие параметры) не выходят за установленные границы;
напряжение питания, частота, коэффициент гармоник напряжения питания не выходят за установленные границы;
возможен ещё ряд специфических требований.
Погрешность СИ при нормальных условиях эксплуатации называется основной погрешностью. В рабочих условиях эксплуатации СИ возможен выход влияющих факторов за установленные границы. В результате появляются дополнительные погрешности, которые необходимо учитывать при определении результата измерений.
Наиболее тяжёлые условия эксплуатации СИ характерны для СИ специального назначения (авиационных, космических, арктических, военных и других). Их работа связана со значительным уровнем нежелательных воздействий, требующих особых мер для сохранения метрологических и эксплуатационных характеристик. Спектр, состав и уровень всех этих воздействий характеризует возмущённый режим измерений.
Расчет надежности ИС
Понятие надёжности в общетехническом толковании позволяет выбрать показатели надёжности технических устройств, которые в процессе эксплуатации могут находиться только в двух состояниях: работоспособном или неработоспособном. При этом критерии перехода из одного состояния в другое для таких устройств точно определены, а в основе представления о работоспособности технических устройств лежит понятие «отказ». Основное же внимание в теории надёжности СИ уделяется постепенным изменениям погрешности, вернее, статистическим характеристикам, связанным со временем работы СИ в пределах класса точности. Для этого использование общетехнического понятия «отказ» не в полной мере корректно.
Своеобразно проявляется и используется понятие избыточности в измерительной технике. Как правило, имеется весьма значительная корреляционная связь между отдельными результатами измерений. Дискретная во времени последовательность результатов измерений имеет далеко простирающиеся корреляционные связи, что позволяет устранить в значительной мере потери измерительной информации, связанные со сбоями в работе СИ. При этом степень возможного восстановления измерительной информации зависит от характера неслучайной корреляционной функции случайной функции, представляющей собой измеряемую величину в зависимости от времени. Кроме того, имеется взаимная корреляция измеряемых величин по каналам измерения, что увеличивает информационную надежность СИ в целом.
Приведённые ранее факторы, как и ряд других, невозможно учесть в рамках общетехнического понятия «отказ» СИ.
В связи со сказанным вводится понятие метрологической надёжности. Под метрологической надёжностью предлагается понимать относительное изменение погрешности СИ в процессе его эксплуатации. Численной мерой этой величины может служить вероятность того, что выбранный в качестве критерия качества результата измерений функционал (функция от функции влияния) в конце фиксированного интервала времени или в среднем за этот период не выйдет за пределы установленной зоны. Другим показателем метрологической надёжности может быть любая вероятностная характеристика (совокупность характеристик) случайного времени пребывания этого функционала в заданной зоне (совокупности зон). Таким образом, для СИ предлагается нормировать изменение погрешности с течением времени эксплуатации в определённых условиях окружающей среды путём задания изменения функции влияния.
В большинстве случаев можно считать, что основным назначением СИ является получение измерительной информации. Поэтому логично в качестве основного показателя качества работы СИ рассматривать потерю измерительной информации.
Существует ряд причин потери СИ измерительной информации:
простои на ремонт и профилактику;
значительная часть потерь измерительной информации связана со сбоями;
одной из важных причин потери измерительной информации является уход в процессе эксплуатации характеристик элементов и узлов СИ от их номинальных значений;
существенную роль в потере измерительной информации играет ограничение количества измерительной информации, перерабатываемой СИ в единицу времени.
С целью оценки надежности, достигнутой при проектировании измерительной системы выполняют расчет, при котором оценивают следующие показатели: средняя наработка на отказ (Тср) и вероятность безотказной работы.
Надежность системы определяется показателями надежности комплектующих элементов, входящих в состав измерительного канала, в том числе АРМ оператора.
Структурная схема надежности представляет собой последовательное соединение комплектующих элементов, обеспечивающих функционирование в соответствии с предъявленными требованиями.
В процессе расчета использовалась эксплуатационная документация на составные элементы ИС, устанавливающая нормативные требования к надежности, принцип работы, перечень и характеристики элементов, условия эксплуатации и режимы работы.
При расчете показателя Тср использованы методы прямого расчета вероятности безотказной работы ИС по соответствующим параметрам безотказности элементов, входящих в состав изделия (ГОСТ 27.301).
Расчет выполнен при следующих допущениях:
отказы элементов являются событиями внезапными, случайными и независимыми;
закон распределения времени безотказной работы ИС – экспоненциальный.
Среднее время наработки на отказ для каждого элемента ИС приведено в таблице 4.
Таблица 4 – Показатели надежности комплектующих элементвоНаименование Тип, модель Датчик давления Метран-150 150000
Контроллер программируемый Simatic S7-300 150000
Рабочее место оператора АРМ 98000
Монитор 50000
Среднее время наработки на отказ ИС из n последовательно соединенных устройств определили по формуле:
ТИС=1i=1n1Тэi, ч (3)ТИС=11150000+11500000+198000+150000=22970 чТ.к. в нашей ИС один измерительный канал, то ТИС = Тср.
Вероятность безотказной работы определим по формуле:
Рt=е-tTср (4)Где: t – средняя длительность технологического цикла.
Рt=е-17522970=0,9924Вероятность безотказной работы составляет 99 %.
Требования к монтажу, наладке и эксплуатации ИС
Элементы ИС монтируются в соответствии с требованиями технической документации на соответствующие средства измерений.
Места установки средств измерений должны обеспечивать удобные условия для обслуживания и демонтажа.
Место установки элементов ИС должно соответствовать условиям эксплуатации, которые приведены в руководстве по эксплуатации на них.
Монтаж первичного измерительного преобразователя
Точность измерения давления зависит от правильной установки датчика и соединительных трубок от места отбора давления до датчика.
Соединительные трубки должны быть проложены по кратчайшему расстоянию. Отбор давления рекомендуется производить в местах, где скорость движения среды наименьшая, поток без завихрений, т.е. на прямолинейных участках трубопровода при максимальном расстоянии от запорных устройств, колен, компенсаторов и других гидравлических соединений.
Температура измеряемой среды в рабочей полости датчика не должна превышать допускаемой температуры окружающего воздуха. Поскольку в рабочей полости датчика нет протока среды, температура на входе в датчик, как правило, не должна превышать 120 С. Для снижения температуры измеряемой среды на входе в рабочую полость датчик устанавливают на соединительной линии, длина которой для датчика 150CD рекомендуется не менее 3 м, а для остальных датчиков − не менее 0,5 м. Указанные длины являются ориентировочными, зависят от температуры среды, диаметра и материала соединительной линии, и могут быть уменьшены.
Соединительные линии должны иметь односторонний уклон (не менее 1:10) от места отбора давления, вверх к датчику, если измеряемая среда − газ и вниз к датчику, если измеряемая среда – жидкость. Если это невозможно, при измерении давления или разности давлений газа в нижних точках соединительной линии следует устанавливать отстойные сосуды, а при измерении давления или разности давлений жидкости в наивысших точках − газосборники.
Отстойные сосуды рекомендуется устанавливать перед датчиком и в других случаях, особенно при длинных соединительных линиях и при расположении датчика ниже места отбора давления.
При необходимости проведения продувки соединительных линий должны предусматриваться самостоятельные устройства, исключающие продувку через датчик.
В соединительных линиях от места отбора давления к датчику рекомендуется установить два вентиля или трехходовой кран для отключения датчика от линии и соединения его с атмосферой.
Это упростит периодический контроль установки выходного сигнала, соответствующего нижнему значению измеряемого давления, и демонтаж датчика.
В соединительных линиях от сужающего устройства к датчику разности давлений рекомендуется установить на каждой из линий вентиль для соединения линии с атмосферой и вентиль для отключения датчика.
Монтаж вторичного измерительного преобразователя
Модули S7-300 возможно монтировать горизонтально или вертикально в профильной шине. Блок питания всегда следует располагать слева или снизу.
Необходимо соблюдать представленные на рисунке 5 размеры зазоров, чтобы обеспечить достаточное место для монтажа модулей и отвода выделяемого ими тепла.
Для конструкций S7-300, размещенных на нескольких стойках, рисунок 5 показывает размеры зазоров между отдельными стойками, а также между соседними элементами оборудования, кабельными каналами, по отношению к стенкам шкафов и т.д.

Рисунок 5 – Зазоры
Наладка и ввод в эксплуатацию
Перед вводом в эксплуатацию ИС следует визуально проверить правильность и качество монтажа устройств и их линий связи, убедиться в наличии маркировки, пломб предприятия-изготовителя, клейм поверки, отсутствии механических повреждений.
Наладка ИС заключается в проверке работоспособности системы в ее основных режимах работы.
Проверка работоспособности проводится поэлементно в следующем порядке:
Проверка наличия реакции АРМ на неисправность линии связи между первичными преобразователями и АРМ
Первичный преобразователь отсоединяется от связующего компонента и связующий компонент коротко замыкается. При этом на мониторе АРМ должно быть выдано сообщение о неисправности линий связи.
Проверка вторичной части ИС
Производится имитация значений величин, определяемых с помощью первичного преобразователя. При этом от первичного измерительного преобразователя откидываются линии связи. К линиям связи подсоединяется калибратор постоянного тока, на котором задаются значения от 4 до 20 мА. На мониторе АРМ должны отображаться результаты измерений, при 4 мА равные минимальному значению диапазона измерений, при 20 мА равные максимальному значению диапазона измерений.
Если все требования выполняются, ИС вводится в эксплуатацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕПравильное и эффективное ведение технологических процессов немыслимо без контроля за целым рядом технологических параметров, характеризующих процесс. Контроль тесно связан с измерением технологических параметров, осуществляемым с помощью специальных технических средств. Совокупность технических средств, служащих для выполнения измерений, методов и приемов проведения измерений и интерпретации их результатов, принято определять понятием измерительная техника. В промышленности измерительная техника является неотъемлемой частью технологических процессов, так как используется для получения информации о многочисленных технологических параметрах, определяющих ход процесса. Область измерительной техники, объединяющую измерительные устройства и методы измерений, используемые в технологических процессах, принято определять понятием технологические измерения.
В ходе выполнения курсовой работы спроектирована измерительная система, предназначенная для измерения давления газа. Разработана структурная схема ИС, проведен сравнительный анализ современных средств измерений и выбраны первичный и вторичный преобразователи, удовлетворяющие установленным требованиям и обеспечивающие измерения с требуемой точностью.
Проведен расчет надежности спроектированной системы. Значение показателя средняя наработка на отказ ИС с достаточно высокой вероятностью безотказной работы 99 % составляет 22970 ч.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫГОСТ Р 8.596-2002 ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.
Информационно-измерительная техника и электроника: Учебник для вузов / Под ред. Г.Г. Раннева. -М.: Академия,, 2006.-511 с.
Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: Учебник для студентов вузов. -М.: Академия, 2004.-311 с.
ГОСТ 27.301-95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.
Эксплуатационный документы на средства измерений.