2 Контрольная работа
Контрольная работа включает основные разделы курса. Решение каждой задачи должно включать исходные данные, методику вычислений, схемы и графики.
Задача №1
Выбор датчика и вторичного прибора должен обосновываться по ряду требований: 1) условия работы (агрессивность контролируемой среды, давление, место установки и т.д.); 2) простота, надежность; 3) современность средств контроля; 4) соответствие комплектам ГСП; 5) унификация по принципу действия с остальной аппаратурой, которая используется в цеху.
Пример. Требуется измерять температуру окружающей среды дистанционно с регистрацией показаний. Измеряемая температура равна 140 °С. Основная погрешность – Δ = ±1,0 °С. Скорость действия 20 с.
Решение. Из теории известно, что температуру дистанционно можно измерять контактным способом с помощью или манометрического термометра (60 м), или термоэлектрического термометра (термопары) с вторичными приборами, или термометра сопротивления с вторичными приборами.
С точки зрения метрологических характеристик, перечисленные системы контроля являются равнозначными.
1. Манометрический термометр характеризуется погрешностью γ = ±(1,5 – 2,5) %, что не отвечает желаемым требованиям.
2. Термопары стандартные из высокородных металлов имеют погрешность невозобновления Δ = ±0,01 мВ, а при Т = 140 °С развивают ЭДС Е(140 °С) 1 мВ. Тогда относительная погрешность измерения при Т = 140 °С равна
δ = ±Δ·100/Е(140) = ±0,01·100/1 = ±1 %.
По абсолютной величине температуры
±Δ = ±δ·Т/100 = ±1·140/100 = ±1,4 °С,
что не отвечает желаемым требованиям.
Термопары из невысокородных металлов оцениваются погрешностью невозобновления Δ = ±0,2 мВ. Тогда относительная погрешность измерения заданной температуры для наиболее чувствительной термопары типа ХК при Е(140 °С) = 10 мВ составляет
δ = ±Δ·100/Е(140) = ±0,2·100/10 = ±2 %.
Сравним с относительной погрешностью, заданной
δ = ±1,0·100/140 = ±0,72 %.
При таком значении δ термопары непригодны для решения поставленной задачи.
3. Термометры сопротивления трех классов точности имеют следующие погрешности:
I класс (платина) Δ = ±(0,15 + 3,0·10-3Т) °С;
II класс (платина) Δ = ±(0,30 + 4,5·10-3Т) °С;
II класс (медь) Δ = ±(0,30 + 3,5·10-3Т) °С;
III класс (медь) Δ = ±(0,30 + 6,0·10-3Т) °С,
или приблизительно для I класса γ = ±0,05 % II и III классов γ = ±0,1 % (при этом термометры III класса выпускаются только с большой инерционностью – τ = 4 мин). Определим погрешность для II класса точности при измерении температуры равной 140 °С:
Δ = ±(0,30 + 4,5·10-3Т) = ±(0,30 + 4,5·10-3140) = ±0,93°С,
Δ = ±(0,30 + 3,5·10-3Т) = ±(0,30 + 3,5·10-3140) = ±0,79°С.
Учитывая долю погрешности, которая вносится вторичными приборами, необходимо выбрать термометр сопротивления I класса (Δд = ±0,57 °С, Т = 140 °С) с минимальным быстродействием 9 с.
В качестве вторичных приборов в комплекте с датчиками измерения температуры используются:
– неуравновешенные мосты постоянного и переменного тока с указателями неравновесия в виде логометров, милливольтметров, миллиамперметров и др.;
– автоматические электронные уравновешенные мосты постоянного и переменного тока КСМ или КПМ.
Предыдущие вычисления показывают, что необходимо остановиться на вторичных приборах со временем установления показаний до 20 с. Этим требованиям удовлетворяют мосты серии КСМ (таблица 1, 2). Классы точности этих мостов – 0,25 и 0,5. Выбираем 0,25, что означает δ = ±0,25 %. Для расчета приведенной погрешности вторичного прибора необходимо определиться с максимальной границей шкалы КСМ, чтобы можно было использовать следующую формулу:
γ = ±ΔМ·100/XН = ±ΔМ·100/Tmax.
Выбираем Tmax из ряда 50, 100, 150, тогда Tmax = 150 °С;
ΔМ = ± γ·Tmax/100 = ±0,25·150/100 = ±0,38 °С.
Алгебраическая сумма абсолютных ошибок датчика и моста дает максимальную абсолютную ошибку системы контроля с датчиком I класса (Pt)
Δ = ΔД + ΔМ = (0,57 + 0,38) °С = ±0,95 °С
и с датчиком II класса (Cu)
Δ = ΔД + ΔМ = (0,79 + 0,38) °С = ±1.17 °С
Таблица 1 – Технологические характеристики потенциометров и мостов
Тип |
Градуировка |
Границы измерений, °С |
Класс точности |
Быстродействие, с |
КСП 1 |
ХК, ХА |
0÷100; 0÷150; 0÷200; 0÷300 |
0,5; 1,0 |
2,5 и 10 |
КСП 2 |
ХК, ХА |
0÷400; 0÷600; 200÷800; 0÷400 0÷900; 0÷1100 |
1,0 |
1; 2,5; 10 |
КСП 3 |
ХК, ХА |
0÷1300; 200÷1100 |
0,5 |
5; 16 |
КСП 4 |
ХК, ХА |
700÷1300; 200÷1100 |
0,25; 0,5 |
1; 2,5; 10 |
КСМ 2, 3, 4 |
20 |
0÷300; 0÷400; 0÷500; 0÷650 300÷650 |
0,5 |
1; 2,5; 5; 10 |
КСМ 2, 3, 4 |
21 |
-50÷150; -70÷180; 0÷100; 0÷150 0÷200; 0÷300; 0÷400; 200÷500 |
0,5 |
1; 2,5; 5; 10 |
КСМ 2, 3, 4 |
22 |
-50÷150; -70÷180; 0÷100; 0÷150 0÷200; 0÷300; 0÷400; 200÷500 |
0,5 |
1; 2,5; 5; 10 |
КСМ 2, 3, 4 |
23 |
-50÷0; -50÷150; -50÷100; 0÷50 0÷100; 0÷150; 0÷180; 50÷100 |
0,5 |
1; 2,5; 5; 10 |
Однако процесс измерения относится к случайным явлениям, поэтому абсолютную погрешность измерительного комплекса необходимо определить как сумму независимых случайных величин по формуле
.
В этом случае абсолютная погрешность комплекса с датчиком I класса (Pt) равна
,
а для комплекса с датчиком II класса (Cu)
.
Таблица 2 – Технические характеристики первичных измерительных преобразователей температуры
Тип |
Граница измерения, °С |
Основная погрешность |
Принцип измерения |
ТГП-100Эк; ТГП-100Cr; ТПГ-100 |
-50÷50; -50÷100; -50÷150; 0÷150 0÷200; 0÷300; 0÷400; 100÷300; 0÷600; 100÷500; 200÷600 |
1; 1,5 |
Газовые показывающие сигнализирующие манометрические |
ТКП-100; ТКП-100Эк; ТКП-100Cr |
-25÷35; -25÷75; 0÷50; 0÷100 25÷125; 50÷150 |
1,5 |
Конденсационный показывающий манометрический |
ТГП-160 Cr |
100÷200; 200÷300 |
1,5; 2,5; 4 |
|
ТКЖ-100 |
-50÷150; 0÷200 |
1; 1,5 |
Жидкостной показывающий манометрический |
ТГП-100 |
-200÷50; -150÷50; -100÷50; -50÷50 200÷500 |
1; 1,5 |
Газовый показывающий манометрический |
13Тд-73 |
-50÷0; -25÷25; -50÷50; -50÷100 -50÷150 |
0,6; 1; 1,5 |
Работа основана на силовой компенсации |
ТСП-1187; ТСП-0481; ТСП-713; ТСП-0879 |
-220÷500; 0÷400; -50÷500; -50÷600; -200÷600; -260÷600 |
I, II, III класс точности |
Терморезистивные |
ЭЧП-0183 |
-260÷1100 |
||
ТСМ-1187; ТСМ-4042; ТСМ-0879-01 |
-50÷180; -500÷150; -50÷300 |
||
ТВР-0687 |
0÷2250; 0÷1800 |
См. приложение |
Термоэлектрические |
ТВР-0877; ТВР-1338; |
300÷1800 |
||
ТПП-0555 |
0÷1300 |
||
ТПП-0555; ТПР-0213 |
0÷1600; 300÷1600 |
||
ТХК-920; ТХК-410; ТХК-0445; ТХК-0455 |
0÷600; 0÷800; 60÷200; 60÷400 |
||
ТХК-0083; ТХК-0515; ТХА-0515; ТХК-0806 |
0÷300; -50÷60; -50÷900; 0÷600 |
Таким образом, необходимо выбрать измерительный комплекс с медным термометром сопротивления II класса точности и вторичным прибором КСМ с классом точности 0,25. Технические характеристики преобразователей температуры и приборов приведены в таблицах 2, 3.