Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУВПО МГТУ им. А.Н. Косыгина

Методическое пособие

по курсу: Технические измерения и приборы

Москва 2010

Содержание

1. Лабораторная работа №1 «Поверка установки для измерения температуры с помощью термометра сопротивления и логометра…………..………………………...…3

2. Лабораторная работа №2 «Индуктивные датчики перемещения………………...….16

3. Лабораторная работа №3 «Исследование работы фото- и строботахометров»..…...23

4. Лабораторная работа №4 «Поверка и тарировка манометров на поршневом манометре МП-6……………………………………………………………………….......37

Лабораторная работа №1.

ПОВЕРКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОМЕТРА СОПРОТИВЛЕНИЯ И ЛОГОМЕТРА

Введение

1. Электрические термометры сопротивления

Электрические термометры сопротивления позволяют производить измерения температуры практически на любом расстоянии от наблюдателя. Они получили широкое распространение в промышленности для измерения температуры различных сред в интервале от -120 до +500 С. Вообще же с их помощью можно измерить температуру от -200 до +700-800С.

Принцип измерения температуры с помощью термометров сопротивления основан на свойстве проводников электрического тока изменять свое сопротивление при измерениях температуры по закону: (1)

Где: R_t - сопротивление проводника при. температуре

R₀ - известное сопротивление проводника при начальной температуре

α- температурный коэффициент изменения сопротивле­ния проводника; .

e - основание натуральных логарифмов;

Так как выражением (1) при расчетах пользоваться неудобно, его раскладывают в ряд, ограничиваясь двумя или тремя первыми членами его. Полученные простые формулы оказываются достаточно просты для практических расчётов в определенном интервале температур.

В интервале температур до 200°С применяют формулу:

(2)

а в интервале 200-800°С:

, (3)

Где .

для меди α=0,00428, для платин α=0,00394, β=-5,8*10^-7

В CCСP промышленностью выпускаются термометры сопротивления из медной и платиновой проволок. Медные термометры представляют собой намотанную в несколько слоев на пластмассовый каркас медную изолированную проволоку. Каждый слой намотки покрываются бакелитовым лаком. Каркас с намоткой заключен в металлический защитный каркас-трубку, имеющий фланец с нарезкой для крепления термометра в схему.

Медные термометры применяются для измерения температур до + 150°. При более высоких температурах начинается, окисление меди, что приводит к изменению сопротивления термометра.

Платиновые термометры: применяются для измерения темпера­туры до +700°С и как эталонные для проверки медных термометров сопротивления. Они имеют следующее устройство. Платиновая проволока наматывается бифилярно /в два конца/ на следующую пластинку с насечками на ребрах. Пластинка с намотанной проволокой закрывается с двух сторон более широкими слюдянымм пластинками весь пакет перевязывается серебряной лентой и вставляется в алюминиевый чехол, который помещается в стальной защитный корпус такой же конструкции как и у медного термометра.

Термометры сопротивления выпускаются взаимозаменяемыми, т.е. с одной стандартной градуировкой. В соответствии с ГОСТ 6651-59 в настоящее время выпускаются термометры 4-х стандарт­ных градуировок: медные - градуировка 23,24., платиновые градуировка 20,21 и 22.

В настоящее время в эксплуатации находятся такие термомет­ры градуировки 2, 11, 12 и 13 /термометры выпуска до 1950 г./.

§ 2. Измерительные схемы

Для измерения температуры с помощью термометра сопротив­ления, как правило, используются мостовые схемы. Наибольшее распространение получили неуравновешенные мостовые схемы с логометром в качестве измерителя и схемы автоматических ура­вновешенных мостов.

§3. Логометры.

Логоматрами называются электроизмерительные приборы, предназначенные для измерения отношения двух токов /название произошло от греческого слова "логос”- отношение/.

Так как логометр измеряет отношение двух токов, то в нем всегда имеются два элемента, на каждый из которых действует один из измеряемых токов. Оба эти взаимосвязанные элемента обра­зуют подвижную часть измерительного механизма логометра. Вращающие моменты, создаваемые этими элементами, должны быть направлены навстречу друг другу, а положение равновесия определяется равенством этих моментов. Благодаря этому отпадает необходимость в создании механического противодействующего момента /не нужны спиральные пружины/, как у обычных электроизмерительных приборов. Так как противодействующий момент по существу создается одним из двух токов, отношение которых измеряется, то в случае общего источника напряжения, колебания величины напряжения последнего не сказываются на показателях логометра. Практически токи к подвижным элементам измерительного механизма приходится подводить с помощью спиральных тонких проводников, создающих некоторые противодействующие моменты. Поэтому показания логометров не зависят от колебаний напряжения только в известных пределах. Измерительный механизм магнитоэлектрического логометра отличается от гальванометрического механизма наличием двух рамок из проволоки. Рамки скреплены вместе под угломь α -/90°, 60° и меньше/. Схема измерительного механизма логометра показана на рио.1.

В отличии от обычного измерительного магнитоэлектрического механизма вращающие моменты рамок /или по крайней мере одной из них/ должны зависеть от угла поворота. В противном случае нельзя было, бы получать состояния равновесия механизма. Чтобы получить такую зависимость, магнитное поле в воздушном зазоре искусственно делают неравномерным, за счет изменения величины зазора до окружности полюсных наконечников.

Когда через рамку А проходит ток I1, а через рамку В ток I2, создаются два направленных навстречу друг другу компонента /момента/:

(4)

Где: В1 и В2 - индукция в зазоре в месте расположения соответствующих рамок, S1 и S2 – площадь рабочих сторон рамок,

W1 и W2 - число .витков рамок,

Ψ1 и Ψ2 - потокосцепление рамок;

Система будет находиться в равновесии при равенстве моментов: М1=М2

Откуда:

(5)

Если I1=I2, подвижная система займет положение, при котором обе рамки находятся в одинаковом воздушном зазоре /как показано на рис.1/.

Если токАI1 больше тока I2 рамки В и следовательно M1>М2 подвижная система будет поворачиваться по часовой стрелке. При этом рамка А будет перемещаться в сторону большого зазора, Ψ1(α) будет уменьшаться, а следовательно будет уменьшаться и момент М1. Рамка В, наоборот, будет перемещаться в сторону мень­шего зазора, Ψ2(α) будет увеличиваться и момент М2 расти. После поворота на некоторый угол моменты сравняются, и рамка остановится в новом положении, соответствующем определенному отношению токов .

Следует отметить, что у измерительных механизмов галь­ванометрического типа при колебаниях температуры изменения вращающего момента за счет изменения сопротивления проволоки рамок, а индукции в зазоре несколько компенсируются изменением момента сопротивления спиральных пружин / при повышении температуры уменьшается вращающий момент благодаря уменьшению тока рамка за счет увеличения ее сопротивления и уменьшения магнитной индукции в зазоре, но одновременно уменьшается противодействующий момент за счет уменьшения упругости пружины/. В логометрах такой компенсации не происходит, и поэтому на их показаниях больше оказываются колебания температуры окружающей среды. Поэтому измерительные схемы должны обязательно предусматри­вать компенсацию влияния температуры на показания логометра.

Логометр ЛПр-53

В работе используется. логометр профильный тина ЛПр-5З, изготовляемый в соответствии с ГОСТ-6568-53, специально для измерения температуры в комплекте со стандартными электрическими термометрами сопротивления..

Логометр ЛПр-53 магнитоэлектрической системы, класса 1,5 обыкновенный по степени защищенности, измерительного механизма от влияния внешней среды/может использоваться при температуре, окружающего воздуха от +10 до + 35 °0 л относительной влажности воздуха до -80.

Шкала логометра градуирована в градусах, температуры. Градуировка справедлива только при использовании термометра сопротивления с градуировкой, указанной на шкале логометра, а также при определенном сопротивлении соединительных приборов, также указанном на шкале прибора

Схема логометра приведена на рис.2. К зажимам 1 и 3 подключается источник питания /через уравнительное сопротивление, см. далее/, К зажимам 1 и 2 -термометр сопротивления. Также через уравнительное сопротивление Ry/. При этом получает схема пятиплечного моста с включенными в его диагональ АБ рам­ками измерительного механизма логометра, показанная на рис. 3. Сопротивления плечей моста R1, R2 и R3 наматываются из манганиновой проволоки /температурный коэффициент изменения coпротивления практически равен, нулю/. В четвертое плечо последовательно с сопротивлением R1 и уравнительным сопротивлением Ry включается термометр Rt/ о назначения сопротивлений R5, Ry, а также R7 будет сказано нижа/, Пятое сопротивление состоит ив манганинового сопротивления R5 и сопротивления из медной проволки R4./последнее служит для компенсации влияния колебаний температуры внешней среды на сопротивление рамок логометра// .

Сопротивления R2 и R3 равны между собой, Сопротивление R1 берется равным: R1=Rtсp+R6

где Rtсp-сопротивление термометра сопротивления при темпере средней точки шкалы логометра.

При таком соотношении сопротивлений и при измеряемой температуре соответствующей средней точке шкалы логометра, мост будет уравновешен, т.е будут равны потенциалы точка А и Б. При этом через рамки логометра будут протекать равные, но противоположные по направлению токи, вызванные падениями напряжения на сопротивлениях R2 и RЗ и подвижная система измерительного механизма логометра будет находиться в среднем положения, пока­занном на рис.1. При уменьшении и увеличений температуры от среднего значения, мост выходит из равновесия, и подвижная часть механизма со стрелкой перемещается влево или вправо. При уменьшении- влево, т.к. ток второй рамки увеличивается за счет увеличения тока в сопротивлении R3 и , следовательно увеличению падения напряжения в нем. При увеличении температуры- вправо, т.к. ток второй рамки уменьшается.

Отношение токов, протекающих по рамкам, связано с изменением сопротивления термометра сопротивления ∆R следующим соотношением:

Где Rp- сопротивление рамки.

Если сопротивление R4 /из медной проволоки/ сделать равным:

Т.е. при колебаниях температуры, в одинаковой степени будет изменяться сопротивление рамок логометра и сопротивление R₄ b соотношение токов в рамках практически изменяться не будет.

При изменениях температуры внешней среды будет изменяться также и сопротивление проводов, соединяющих термометр сопротивления с логометром. При большой длине проводов изменение их сопротивления может внести существенную погрешность в показания логометра. Поэтому в этом случае применяют так называемую трехпроводную схему соединения логометра с термометром сопротивления, показанную на рис.4. Эта схема отличается от показанной на рис.3 тем, что к одному из зажимов термометра сопротивлений присоединяют не один, а два провода. Один из проводов присоединяется через сопротивление Ry к зажиму «I» логометра, а второй к источнику питания. Второй зажим термометра сопротивления присоединяется к логометру также, как и двухпроводной схеме через сопротивление Ry.

Как видно из рис.4. при трехпроводной схеме сопротивления проводов и уравнительных сопротивлений Ry оказываются включенными в два плеча моста добавляются к сопротивлениям R₁ b R_t.

Если эти сопротивления равны, то изменения их сопротивления не будет влиять на отношения токов рамок логометра. Третий провод оказывается включенным последовательно с источни­ком питания и также не влияет на отношение токов рамок логометра.

Как указывалось, шкала логометра градуируется для определенного сопротивления соединительной линии. Величина сопротив­ления соединительной линия для трехпроводной схемы соединения термометра сопротивления с логометром указывается на шкале последнего. Для подгонки сопротивления линия к логометру придаются два подгоночные /уравнительные/ сопротивления Ry из манганиновой проволоки, каждое из которых равно половине указанного на шкале сопротивления. Подготовка сопротивления линии производится следующим образом.

При двухпроводной схеме включения термометра сопротивления при короткой соединительной линии. Сопротивление соединительной линии должно быть равно половине сопротивления, указанного на шкале логометра, а последовательно с R₁ должно быть включено сопротивление, равное сопротивлению соединительной линии термо­метра. Поэтому последовательно с в зажимами I и 2 логометра вклю­чаются приданные я нему уравнительные сопротивления Ry. Подключенное к зажиму I сопротивление оставляется без изменения, а величина сопротивления Ry,подключенного к зажиму 2 уменьшается(путем отматывания части проволоки) с таким расчетом, чтобы его величина в сумме с сопротивлением соединительной линии была равна половине сопротивления, указанного на шкале прибора. Для измерения сопротивления соединительная линия закорачивается на зажимах термометра, а к проводам, подсоединяемым к точкам схемы 1 и 2 подключается мост постоянного тока.

При трехпроводной схеме соединения термометра сопротивления с логометром, сопротивление каждого из проводов, подключаемых к зажимам 1 и 2 логометра, должно равняться половине величины, указанной на шкале логометра. Используется два уравнительных сопротивления включаемых, последовательно с этими проводами. Линию закорачивают на зажимах термометра сопротивления и отматывая одновременно с обоих уравнительных сопротив­лений часть проволоки добиваются равенства сопротивления линии величина, указанной на шкале логометра. Величину сопротивления измеряют, мостом постоянного тока, подключаемым к зажимам 1 и2.

Для контроля соответствия сопротивления, линии (с включенными уравнительными сопротивлениями) необходимому значению, провод линии, идущей к зажиму "2" логометра, вместе с уравнительным сопротивлением, временно переносят на зажим 4 логометра. Линию закорачивают на зажимах термометра сопротивления. При этом вместо термометра сопротивления в мостовую схему оказывается включенным эталонное сопротивление из манганиновой проволоки R₇. После включения питания, если сопротивление линии подогнано правильно, стрелка логометра должна установиться против красной черты не более, чем на 1,0% от пределов изменения сопротивления в пределах шкалы логометра.

Сопротивления R5 и R6 служат для изменения пределов измерения температуры. Логометры на разные пределы измерения выпускаются о одинаковыми сопротивлениями R1,R2,R7. Начальная точка шкалы устанавливается с помощью сопротивления R6, а предел измерения (конечная точка шкалы) с помощью сопротивления R5.

Показателями качества логометра, обычно определяемыми при его проверке, являются приведенная основная погрешность, вариация показаний и дополнительная погрешность, вызванная отклонением питающего напряжения от номинала.

Приведенной основной погрешностью логометра называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности лого­метра при измерении сопротивлений к пределу измеряемых сопротивлений.

Она подсчитывается по следующей формуле:

где - основная приведенная погрешность логометра.

-сопротивление термометра сопротивления, соответствующее температуре проверяемой, отметки шкалы.

- значение сопротивления термометра сопротивления, приводящее стрелку на проверяемую точку шкалы /определяется как среднее из двух замеров при уменьшении и увеличении сопротивления термометра/

, - сопротивление термометра сопротивления, соответствующие конечной и начальной температуре шкалы логометра.

Вариацией показаний логометра называется выражение в процентах отношение разности показаний логометра при увеличении и уменьшении измеряемого сопротивления к пределу измеряемых сопротивлений. Вариация подсчитывается по формуле:

где - вариация показаний,

- сопротивление термометра сопротивления, приводящее стрелку логометра на проверяемую отметку шкалы при уменьшении его сопротивления,

- то же, но при увеличении сопротивления термометра сопротивления,

и - сопротивления термометра сопротивления, соответствующее начальной и конечной температуры шкалы логометра.

Дополнительная погрешность, вызванная отклонением питающего напряжения от номинала, подсчитывается по формуле:

где - дополнительная погрешность,

- среднее значение сопротивления термометра сопротивления, приводящие стрелку логометра на проверяемую отметку шкалы при номинальном напряжении питания:

r_t – то же, но при напряжении, отличеноом от номинала. Наибольшая осоновная приведенная погрешность, вариация показаний и дополнительная погрешность при отклонении питающего напряжения на +20% не должен превышать величины класса точности прибора.

При проверке основная приведенная погрешность и вариация показаний определяются для всех оцифрованных отметок шкалы прибора.

Дополнительная погрешность определяется обычно только для трех точек шкалы- начала, середины и конца.

ЛОГОМЕТР

1. Присоединить модель термометра сопротивления /магазин сопротивлений/ к клеммам «датчик», расположенным на стенде. Присоединить мост постоянного тока к клеммам «мост пост. тока», расположенного на стенде. (см. рис. 5)

2. Тумблеры Т_2, Т_3, Т₄ должны находиться в положении «измерение». Тумблер включения питания логометра Т₁ должен быть в положении «выкл», а тумблер Т₅ – в положении «2-х проводая» /схема подключения датчика к логометру/.

3. Включить пакетный выключатель ВН на стенде.

4. Установить нa магазине сопротивлений значение 46,0 Ом

Поставить тумблер "Т₁ в положении «вкл.» Если схема собрана должна остановиться на нулевой отметке шкалы. Если при включении тумблера Т₁ стрелка логометра «зашкаливает», то во избежание выхода прибора из строя необходимо немедленно выключить тумблер Т₁ и обратиться к лаборанту или преподавателю для проверки схемы.

5. Проверить по показанию вольтметра В₁ напряжение питания измерительной схемы логометра. Напряжение питания равно 4 вольта. Оно регулируется потенциалом «рег.напр.»

6. Проверить сопротивление подводящих проводов от датчика к при­бору /логометру/.Величина сопротивления подводящих проводов указана на шкало прибора. Для этого необходимо поставить тумблер Т₁ в положение "выкл", во избежание выхода прибора /логометра/из строя. Тумблер Т₂ поставить в положение "провер­ка" R_^, а магазине сопротивлений установить сопротивле­ние равное нулю Тумблер Т₃, Т_4, Т₅ - остаются в том же по­ложении. Только после этого ставить тумблер Т₁ в положение "вкл." При этом стрелка логометра должна. остановится а красной черте по шкале логометра. Если стрелка не .останавливалась на красной черте, то с помощью ручки реостата «подгонка R_^" необходимо установить стрелку логометра в требуемое положение. После подгонки сопротивление подводящий приводов тумблер поставить в положение «выкл.», а Т₂ - в положение «измерение». "Установить па магазине сопротивлений значение 46,0 см. Включить тумблер Т₁. Стрелка логометра должна остановиться напротив нулевого значения шкалы. Если стрелка остановилась не у нулевого значения шкалы, то с помощью декад магазина сопротивлений установить стрелку шкалы на «нуль» шкалы. После этого тумблер Т3 поставить в положение «контроль» и с помощью поста постоянного тока измерить сопротивление термометра сопротивления, соответствующая нулевому значению шкалы логометра. Далее вернуть тумблер Т3 в «измерения» и установить стрелку логометра под следующую оцифрованную отметку шкалы таким же способом. Таким образом необходимо проверить все оцифрованные отметки шкалы логометр как при прямом ходе ( повышение температуре) так и обратно( понижение температуры). Полученные данные измерений внести в таблицу №1

Таблица 1

	R гр Ом	R измеренное		R изм. ср.	Относит. погрешность γ	Вариации показаний V
		Прямой ход	Обратный ход
0
50
100
150

Определить относительную погрешность и вариацию показаний логометра по формуле:

Построить графики зависимостей относительной погрешности и вариации паказаний логометра от температуры γ=f(t) и V=f(t)

с помощью магазина сопротивлений установить стрелку логометра на красную черту. Положение всех тумблеров то же, что и при измерении температуры. После этого тумблер Т4 имитирует измерение сопротивлений проводов, соединяющих датчик с логометром, от изменения температуры окружающей среды. Измерять схемы включения датчика с помощью тумблера Т5. При этом записать показания логометра и объяснить причины отклонения его стрелки.

По окончании работы отключить тумблер Т1 и пакетный выключить ВИ на стене. После этого тумблер Т3 перевести в положение «контроль» и отсоеденить модель термометра сопротивления/магазин сопротивления/ от клемм «датчик». Провода сдать лаборанту.

Контрольные вопросы к. лабораторной работе “Логометр” .

1. Принцип действия и особенности конструкция логометра. Какой системы логометр использован в работе.

2. Назначение сопротивлений измерительной схема логометра? Почему?

3. Из какого материала изготавливаются сопротивления измери­тельной части логометра? Почему?

4. Какие существуют схемы присоединения датчика к измерительному прибору? В чем их различие?

5. С каким датчиком работает прибор, установленный на стенде? Принцип действия датчика?

6. Влияет ля изменений напряжения питания на показания логометра? Чему должно быть равно напряженна питания логометра?

7. Каков класс точности данного логометра? Укладывается ли логометр установленный на стенде, в указанный класс точности /на основании Ваших измерений/.

8. Почему необходимо подгонять сопротивление подводящих про­волок? Чему должно быть равно сопротивление подводящих про­водов у логометpa?

9. Когда применяется 2-х проводная схема присоединения датчика к прибору?

Лабораторная работа №2.

ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ.