Литература

1. Шувалов В.В., Огаджанов Г.А., Голубятников В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. М.: Химия, 1997

2. Горячев Р.П. Основы производства в нефтеперерабатывающей промышленности, М.: Химия, 1987

4 Лабораторные занятия

Лабораторные работы по приборам и измерительным преобразователям температуры, давления, уровня и расхода

Общие сведения

Поверка измерительных приборов производится периодиче­ски для определения погрешностей измерения и поправок к по­казаниям приборов. Для этого сопоставляются показания пове­ряемых и образцовых приборов, причем показания последних принимают за истинные значения измеряемых величин. В качест­ве образцового выбирают такой прибор, класс точности которо­го в 3 - 4 раза выше класса точности поверяемого прибора. По­верку производят при прямом (при повышении параметра) и обратном (при понижении параметра) ходах стрелки поверяемого прибора на всех его оцифрованных отметках, одновремен­но определяя показания образцового прибора. По полученным данным вычисляют абсолютную и приведенную относительную погрешности. Поверяемый прибор пригоден к последующей экс­плуатации, если вычисленные погрешности не превышают зна­чения допустимой основной приведенной относительной погреш­ности.

Таблица 1. Результаты градуировки (название измерительного прибора или комплекта приборов)

Действительное значение величины ...	Показания по шкале вторичного прибора ...
	прямой ход	обратный ход

Градуировка измерительных приборов выполняется в тех случаях, когда шкала прибора построена в безразмерных или относительных единицах, или неизвестны значения делений шкалы прибора в единицах измеряемой величины. При градуи­ровке делениям шкалы прибора придают значения, выраженные в установленных единицах измерения. Выполняя градуировку, экспериментально находят зависимость значений измеряемой величины от числа делений на шкале прибора или от некото­рой косвенной величины. Обычно эту зависимость выражают в виде градуировочных таблиц или графически в системе пря­моугольных, координат: по оси абсцисс откладывают деления по шкале прибора или косвенную величину, а по оси ординат - действительные значения измеряемой величины в соответствующих единицах. Для градуировки технических измерительных приборов применяют образцовые приборы.

После нахождения первой точки по шкале прибора работу повторяют еще для пяти - шести отметок шкалы при прямом и обратном ходах. Затем при градуировке измерительного уст­ройства строят соответствующий градуировочный график, а при поверке вычисляют абсолютные и приведенные относительные погрешности.

Результаты градуировки и поверки приборов целесообразно заносить в таблицы (1 и 2).

При выполнении лабораторных работ следует:

1) ознакомиться с принципом действия и конструкцией со­ответствующих измерительных устройств;

2) выполнить операции, указанные в разделе «порядок вы­полнения работы»;

3) выполнить необходимые вычисления;

4) составить отчет о проведенной работе.

Таблица 2. Результаты поверки (название измерительного прибора или комплекта приборов)

Показания			Погрешности
образцового прибора ...	поверяемого прибора ...		абсолютные ...		приведенные отно­сительные, 1%
	прямой ход	обратный ход	прямой ход	обратный ход	прямой ход	обратный ход

Лабораторная работа №1

Исследование работы датчика параметрического типа. Включение в измерительную схему и снятие характеристик.

Цель работы:

1. Снятие статистических характеристик потенциометрических датчиков различных типов;

2. Определение статистического и динамического коэффициентов передачи.

3. Исследование влияния нагрузки на статические характеристики датчиков.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка выполнена на 2^х проволочных реостатах (линейном П₁ и круговом П₂), выполняющих роль потенциометрических датчиков. Ручки для перемещения движков реостатов располагаются на лицевой панели установки и снабжаются соответствующими шкалами. На лицевой панели располагаются три переключателя, один из которых Т_I служит для подключения питания либо к потенциометру П₁ ,либо к потенциометру П₂, второй Т₂ –для соответствующего подключения к датчикам вольтметра и нагрузки, а третий Т₃ позволяет отключить нагрузочный резистор и снять характеристику холостого хода датчика. Нагрузочный резистор и снять характеристику холостого хода датчика. Нагрузочный резистор устанавливается внутри корпуса. Для измерения выходного сопротивления датчиков используется комбинированный прибор П-435. Схема лабораторной установки приведена на рисунке 1.

Теоретическое обоснование работы

Для того, чтобы оценить работу датчика используют сравнение искажений входной и выходной величин. Важным показателем статического режима функционального элемента автоматики являются статическая характеристика, выражаемая зависимостью У f_(x) и называемая уравнением статики элемента. Под статической характеристикой понимается зависимость выходной величины элемента от входной.

Статические характеристики могут быть линейными и нелинейными, соответственно элементами: линейным и нелинейным. Элементы с линейной статической характеристикой имеют устойчивые динамические и точностные характеристики при изменении сигнала.

Линейная статическая характеристика представляет собой прямую, проходящею через горизонтальную ось под каким-либо углом. Угол наклона постоянен, вследствии чего постоянен тангенс угла, который определяет коэффициент передачи:

. (1)

Коэффициент передачи может иметь и может не иметь размеренности. Если входная и выходная величины одинаковы, то коэффициент передачи размеренности не имеет и называется коэффициентом чувствительности. Минимальное значение входной величины, при котором появляется искажение выходной величины называется порогом чувствительности. Отрезок между началом координат и точкой порога чувствительности называется зоной нечувствительностью.

Возникающие в процессе работы элемента погрешности могут быть абсолютными, относительными, приведенными, основными и дополнительными.

Абсолютной погрешностью называется разность между номинальными и фактическим значением выходной величины.

(2)

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к действительному значению выходной величины:

(3)

Приведенной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности к разности предельных значений выходной величины: (4)

Основной погрешностью называют погрешность, возникающую при нормальных условиях эксплуатации элемента.

Дополнительные погрешности возникают в процессе работы элемента и добавляются к основной. Примерный график статической характеристики может иметь вид, подобный показанный на рисунке 2.

Порядок проведения работы.

1. Ознакомиться с устройством лабораторной установки.

2. Ознакомиться с правилами пользования омметром или прибором Ц-435.

3. Снять статические характеристики линейного потенциометрического датчика П₁ без нагрузки и с нагрузкой , (5)

где r_x – выходное сопротивление ненагруженного датчика,

R_x – выходное сопротивление нагруженного датчика.

l_x – перемещение движка датчика. Выходное сопротивление датчика измеряется на зажимах а-б. Результаты измерений, заносятся в таблицу 3. По полученным данным построить графики (на общих осях координат).

Определить статический и динамический коэффициенты передачи.

Примечание: Максимальное перемещение датчика зависит от размеров датчика.

Таблица 3

lx	См	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
rx	Ом
Rx	Ом

4.Снять статические характеристики кругового потенциометрического датчика П₂ без нагрузки r_x = f (αx) и с нагрузкой R_x=f(dx), (6)

где αх – угол поворота движка датчика. Результаты измерения заносятся в таблицу 4.

Таблица 4

αх	град	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165	180
rx	Ом
Rx	Ом

Примечание: Максимальный угол поворота зависит от конструкции датчика и может быть различным.

По полученным данным построить графики (на общих осях координат) и определить статический и динамический коэффициент передачи.

5. Определить максимальную абсолютную погрешность расчета и сравнить с экспериментальной. Расчет погрешностей выполнить дома в процессе подготовки к лабораторному занятию. В кратких выводах к проделанной работе указать причины возникающей погрешности и перечислить способы ее уменьшения.

6. Подать питание на потенциометр П₁ и манипулируя движком П₁ и тумблером Т₃, снять характеристики

U_вых. хх = f(l_x) (7)

U_вых.хх – напряжение ненагруженного датчика, и U_вых.хх – напряжение датчика, нагруженного резистором.

Результаты измерений занести в таблицу 5.

Таблица 5

lx	См	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Uвых.хх	В
Uвых.	В

Построить характеристики и определить статический и динамический коэффициенты передачи.

5. Подать тумблером Т₁ питание на датчик П₂, манипулируя движком П₂ и тумблером Т₃ снять характеристики. Результаты измерений занести в таблицу 6. Построить характеристики и определить статический и динамический коэффициенты передачи.

U_вых.хх = f(lx) и U_вых. = f(αx) (8)

Таблица 6

αх	град	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165	180
Uвых.хх	В
Uвых.	В

Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема лабораторной установки для снятия характеристик потенциометрических датчиков

y

x

0

Рисунок 2 - График статической характеристики потенцеометрического датчика с зоной чувствительности

Рисунок 3 - График статической характеристики потенциометрического датчика

Контрольные вопросы

1. Какие вам известны разновидности конструкций потенциометрических датчиков?

2. Какие схемы включения потенциометрических датчиков используются в автоматике?

3. Каковы достоинства и недостатки потенциометрических датчиков?

Лабораторная работа №2

Изучение действия термоэлектрического датчика

Цель работы:

1. Нахождение зависимости термо-э.д.с, от температуры горячего спая термопары, снятие статической характеристики термодатчика.

2. Снятие кривой переходного процесса термодатчика.

3. Определение коэффициента передачи и постоянной времени термодатчика.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка выполнена в виде панели, на ней укреплены два электронагревательных элемента, в качестве которых использованы проволочные остеклованные трубчатые резисторы типа ПЭВ с одинаковыми техническими данными. С помощью тумблера Т к ним подключается питание. Внутренние полости электронагревательных элементов используются для помещения исследуемой термопары Тп и контрольного ртутного термометра на 300⁰С. Концы термопары выводятся на два зажима К₁ и К₂, к которым подключается милливольметр. Электрическая схема установки показана на рисунке 4.

Теоретическое обоснование работы

Для изменения температуры применяются термоэлектрические датчики. Термопара состаит из двух разнородных проводников, сваренных в одной точке, называемой точкой горячего спая. Эта точка помещается в область контроля температуры. Если возникает разность температур между выводами проводников и спая, то возникает термо – э.д.с , определяемая аналитическим выражением

, (9)

где С - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала проводников термопары. Статические характеристики термопар в большинстве своем нелинейны. Термопары используются по величине измеряемой температуры: при длительном нагреве до 600⁰С –хром –капель, при нагреве до 1000⁰С –хромель-алюмель, до 2100⁰С – вольфрам-молибден. Датчики обладают инерционностью и характеризуются постоянной времени.

В зависимости от конструкции постоянная времени срабатывания термопары изменяется от долей секунды до сотых частей секунды.

График статической характеристики термопары

(10)

показан на рисунке 5. Коэффициент передачи термопары определяется выражением: или (11)

График переходного процесса исследуемой термопары показан на рисунке 6.

Постоянная времени Т термопары определяется методом касательных, как указано на рисунке.

Порядок проведения работы

1. Ознакомиться с устройством установки.

2. Ознакомиться с правилами пользования компенсационным потенциометром ПП-63.

3. Снять статическую характеристику термопары

, (12)

где Et – термо эдс термопары, t₀ – температура ее горячего спая. Для этого необходимо вставить в полость ЭНЭ рабочий конец исследуемой термопары и контрольный термометр. Не включая питание, зафиксировать исходную температуру термопары и ее термо-эдс. Затем, включив тумблером Т питание, нагревать рабочий конец термопары, фиксируя в отдельные моменты времени его температуру и соответствующую ей термо-эдс. Результаты измерений заносим в таблицу 7.

Таблица 7

t0	C0	100	140	180	220	260	300
Et	мВ

По полученным данным построить статическую характеристику термопары и определить коэффициент передачи.

4. Снять кривую переходного процесса термопары. Для этого можно использовать вторую аналогичную термопару или воспользоваться первой, предварительно вынув её из ЭНЭ и остудив до температуры окружающей среды (20⁰С). Доведя температуру ЭНЭ до некоторого установившегося значения (оно должно быть указано в описании лабораторной работы), вводят охлажденный рабочий конец исследуемой термопары в полость ЭНЭ, засекая этот момент по секундомеру и через определенные равные промежутки времени фиксируют её терио-эдс по показаниям компенсационного потенциометра. Опыт продолжается до тех пор, пока не прекратится рост термо-эдс. Результаты измерений заносятся в таблицу 8.

Таблица 8

τ	секунд
Et	мВ

По полученным данным строим график переходного процесса и методом касательной определяем постоянную времени и термопары Т.

Рисунок 4 – Принципиальная электрическая схема лабораторной установки для снятия характеристики термопары.

Рисунок 5 – График статической характеристики термопары.

Рисунок 6 – График переходного процесса термопары