Задание №5 (вариант 2)

Спроектировать средство измерения (СИ), содержащее термодатчик и автоматический регистрирующий прибор. Выбрать термочувствительные материалы для термодатчика и соответствующий автоматический регистрирующий прибор. Диапазон работы проектируемого СИ должен составлять 100-750 °С. Нарисовать электрическую схему СИ. Привести расчетное уравнение, которое связывает выходной параметр термодатчика (Е_АВ или R_Т) и параметры электрической схемы регистрирующего прибора.

Указать характеристики погрешности проектируемого СИ. Описать метод измерения температуры. Термодатчиком является терморезистор.

Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от -260 до 750 °С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000 ° С. Действие термометров сопротивления основано на свойстве вещества изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. При измерении температуры термометр сопротивления погружают в среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления термометра от температуры, можно по изменению сопротивления термометра судить о температуре среды, в которой он находится.

Металлы, предназначенные для изготовления чувствительных элементов (ЧЭ) термометров сопротивления, должны отвечать ряду требований. Они должны не окисляться и обладать высокой воспроизводимостью значений электрического сопротивления в интервале рабочих температур. Выбранный металл в диапазоне применяемых температур должен иметь монотонную зависимость сопротивления от температуры R=f(t) и достаточно высокое значение температурного коэффициента сопротивления α. Приведенным основным требованиям к металлам для изготовления ЧЭ термометров сопротивления в широком интервале температур удовлетворяет платина.

Автоматические уравновешенные мосты широко применяются в различных отраслях промышленности для измерения и записи температуры в комплекте с термометрами сопротивления. Измерительная схема автоматических уравновешенных мостов в принципе не отличается от схемы лабораторного четырехплечего моста за исключением того, что уравновешивание его, осуществляемое обычно перемещением движка по калиброванному реохорду, производится не вручную, а автоматически с помощью специальных следящих систем. Автоматические уравновешенные мосты являются техничесикми приборами высокого класса точности. Автоматические уравновешенные мосты, предназначенные для работы в комплекте с термометрами сопротивления, выпускаются с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. При этом необходимо иметь в виду, что их температурная шкала действительна только для термометра сопротивления определенной градуировки и заданного значения сопротивления внешней соединительной линии.

В автоматических уравновешенных мостах используется измерительная схема четырехплечего моста с реохордом. На принципиальной схеме приняты следующие обозначения:

R_р –реохорд

ТО – токоотвод

R_т – термометр сопротивления

R₁,R₂,R₃ = резисторы мостовой схемы

R_б – балластный резистор в цепи питания для ограничения тока

R_л – резисторы для подгонки сопротивления линии

R_п – резистор для установления диапазона измерения

R_д – резистор добавочный для подгонки начального значения шкалы (обычно R_д = 5,5 Ом)

РД – асинхронный конденсаторный реверсивный двигатель

СД – синхронный двигатель (для продвижения диаграммной ленты)

R_ш – шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления R_р до заданного нормированного значения R_н.р= R_р R_ш (R_р+ R_ш)^-1=90 или 100+0,1 Ом

С₁ и С₂ – конденсаторы для создания необходимого фазового сдвига (90°) между магнитными потоками обмотки возбуждения и управляющей обмотки и необходимого напряжения (127 В) на обмотке возбуждения

С₃ – конденсатор, шунтирующий управляющую обмотку реверсивного двигателя для компенсации индуктивной составляющей тока в этой обмотке.

При нарушении равновесия мостовой схемы прибора вследствие изменения сопротивления R_т термометра на вход усилителя подается напряжение небаланса с вершин а и b. Это напряжение усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя. Выходной вал двигателя, кинематически связанный с движком реохорда и кареткой, передвигает их до тех пор, пока напряжение небаланса, уменьшаясь, не станет равным нулю (точнее, меньше той величины его, которую чувствует усилитель). При достижении равновесия мостовой схемы ротор реверсивного двигателя останавливается, а движок реохорда и каретка с указателем и пером занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению термометра. Положению равновесия мостовой схемы соответствует уравнение:

[R_т+R_д+R_л+(1-m)R_п.р]R₂=(R₁+R_л)(R₃+mR_п.р)

Где R_п.р - приведенное сопротивление реохорда (R_п.р=R_н.рR_п(R_н.р+R_п )^-1)

m=R'_п.р/R_п.р (здесь R_п.р – сопротивление участка реохорда правее движка а)

Решая уравнение относительно R_т ,получаем:

R_п.р(mR₁+mR₂-R₂) + R₁R₃ – R_дR₂ (R₃ – R₂ + mR_п.р)R_л

R₂ R₂

Где R_л = 2,5 Ом при t=20 °C

Для эксплуатационных условий:

R_п.р(mR₁+mR₂-R₂) + R₁R₃ – R_дR₂ (R₃ – R₂ + mR_п.р)R_л[(1+αt)/(1+αt₂₀)]

R₂ R₂

t - cредняя температура воздуха вдоль проводов в условиях эксплуатации, °С (t > t₂₀)

α – температурный коэффициент элеткрического сопротивления меди, °С ^-1

Пределы допускаемой основной погрешности показаний автоматических уравновешенных мостов, выраженные в процентах нормирующего значения измеряемой величины на всех отметках шкалы не должны превышать: 0,25; 0,5; 1,0; 1,5% - для классов точности 0,25; 0,5; 1,0; 1,5 (соответственно). За нормирующее значение принимают разность конечных значений диапазона измерения. Нормирующее значение и диапазон измерения выражаются в единицах сопротивления.

Задание №2.

Раздел: «Методы измерения вакуума. Средства создания и измерения вакуума».

Задача №1.

Вакуумная система (Рис. 1.1) состоит из вакуумной камеры 1, насоса 2 и трубопровода, размеры участков которого указаны в Табл. 1.1. Оценить пропускную способность трубопровода U, приняв режим течения газа в системе молекулярным. Выбрать насос и оценить его коэффициент использования. Определить время откачки камеры 1 при условии: V₁=10 дм³,

Начальное давление в камере 10^-2 мм рт. ст. Предельный вакуум р_ПР определить по паспортным данным вакуумного насоса (ступень сверхвысокого разрежения, криоконденсационный). При выборе насоса использовать таблицы, приведенные в [1,2]

Таблица 1.1. Размеры участков.

Индекс i	1	2	3	4	5	6
Li, мм	100	1000	40	7	60	-
di, мм	30	30	6	3	6	10

Проводимость является коэффициентом пропорциональности между потоком и разностью давлений. Она численно равна количеству газа, протекающему по участку вакуумной системы в единицу времени при разности давлений на его концах, равной единице.

В Табл. 1.2 приведены формулы для расчёта U в зависимости от формы элемента.

Таблица 1.2

1	Трубопровод	L1=100мм=0.1м d1=30мм=0.03м
2	Отверстие	d6=10мм=0.01м
3	Отверстие	d6=10мм=0.01м
4	Трубопровод	L2=1000мм=1м d2=30мм=0.03м
5	Трубопровод	L3=40мм=0.04м d3=6мм=0.006м
6	Трубопровод	L4=7мм=0.007 м d4=3мм=0.003м
7	Сужение	d4=3мм=0.003м d5=6мм=0.006м
8	Трубопровод	L5=60мм=0.06м d5=6мм=0.006м
9	Сужение	D=¥ d5=6мм=0.006м

Вычисляем суммарную пропускную способность через элементарные сопротивления

Необходимо обеспечить сверхвысокий вакуум, насос – криоконденсационный

V1=0.01 м3 ­ – объём камеры 1

p1beg=1.316 Па – начальное давление в камере 10-2 мм рт. ст.

p1end=1.316*10-4 Па – конечное давление в камере 10-6 мм рт. ст.

p0=6.6*10-7 Па – предельное остаточное давление магниторазрядного насоса типа НМДО-0,025-1 (стр. 192 Приложение 8, Кузнецов, 1978)

Проверим вариант насоса, обеспечивающий предельный вакуум в камере 1 на уровне Рк=1,32*10-4 Па, в виде магниторазрядного насоса типа НМДО-0,025-1

Характеристики насоса НМДО-0,025-1:

Диапазон рабочих давлений (6,6*10-7 – 6,6) Па

Быстрота откачки Sн в рабочем диапазоне 0,025 м3/с

Предельное остаточное давление 6,6*10-7 Па

Расход охлаждающей воды (50-100) л/ч

Тип блока питания БП-25

Оценим коэффициент использования насоса:

Это отношение эффективной быстроты откачки к быстроте действия насоса: Кн=S0/Sн

Sн = 0,025 м3/с – быстрота действия насоса

S0 найдем из основного уравнения вакуумной техники: (1/ S0) – (1/ Sн) = (1/U)

S0=SнU/(Sн+U) – эффективная быстрота откачки объекта

_м3/с

Объем трубопровода много меньше V1, поэтому этим объемом можно пренебречь. Газовыделение с поверхности не учитываем. При молекулярном режиме течения процесс откачки считаем изотермическим, тогда:

pdV = -Vdp

- эффективная быстрота откачки.

Если , то

Ответ: t=7171 c