Теплотехнические измерения и приборы лабораторный практикум. Учебное пособие

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений и расчетов.

4.Выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

Изучение конструкции и принципа действия термохимических газоанализаторов

Цель: изучить конструкцию и принцип действия термохимиче­ ских газоанализаторов.

Общие сведения

Термохимический метод измерения концентрации газов основан на измерении полезного теплового эффекта химических реакций, протекающих в присутствии катализатора. Наибольшее распростра­ нение получила схема, в которой используется реакция окисления (горения), протекающая на насыпном катализаторе, а полезный тепловой­ эффект, сопровождающий реакцию, измеряется платино­ вым термометром сопротивления. Такие сенсоры применяются для определения концентраций оксида углерода в пределах 0,01–0,5 мг/л.

Конструкция сенсора приведена на рис. 15.1. Он состоит из алю­ миниевой подножки, на которой размещается два чувствительных элемента, представляющих собой пористую структуру диаметром 1–1,5 мм с платиновыми термосопротивлениями. Рабочий элемент покрыт палладиевым катализатором. Эталонный элемент служит для сравнения. Данные элементы закрываются фильтром из оксида ти­ тана, который выполнен в виде колпачка. Платиновые термосопро­ тивления крепятся на нихромовых токоподводах.

На рис. 15.2 приведена структурная схема измерения – преобра­ зования в газоанализаторе АГТ-СО. Схема измерений выполнена в виде моста, который запитывается источником стабилизированного тока (ИСТ). Разбаланс моста Uб усиливается в усилителе (У), затем преобразуется в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобра­ зователе (АЦП) и поступает в микропроцессор (МП). В постоянно запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится характеристика сенсора,

91

46

45

Рис. 15.1. Конструкция сенсора термохимического газоанализатора типа АГТ-СО:

а – вид сверху; б – без фильтра; в – в сборе; 1 – алюминиевая подножка; 2 – фильтр; 3 – токо­ подвод; 4 – рабочий элемент; 5 – эталонный элемент; 6, 7 – платиновые термосопротивления

Рис. 15.2. Структурная схема измерения – преобразования в газоанализаторе АГТ-СО:

ЖКИ – жидкокристаллический индикатор; БП – блок питания; R1, R2 – постоянные сопро­ тивления из манганина; R – платиновые термосопротивления эталонное и рабочее соот­ ветственно; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; УТС – унифицированный токовый сигнал

а также параметры, которые необходимы для наладки и контроля его работы. Термостат поддерживает температуру +250 ± 1 °С в зоне сен­ сора.

Термостат состоит из нагревательного элемента, термопары и цифрового регулятора.

Существенным недостатком термохимического метода измерения концентрации оксида углерода является множество дополнительных погрешностей, вызванных изменением внешних факторов, к кото­ рым относятся изменения:

•  температуры в зоне сенсора; •  скорости протекания газовой смеси через сенсор;

•  теплопроводности газовой смеси;

92

•  тока питания мостовой схемы; •  температуры окружающей среды;

•  угла установки датчика в газоходе котла; •  разворота датчика при установке в газоходе котла.

В рассматриваемой лабораторной работе будет определяться до­ полнительная погрешность, вызванная изменением разворота дат­ чика при установке в газоходе котла.

Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 15.3.

0°

270° 90°

Рис. 15.3. Схема лабораторной установки газоанализатора АГТ-СО:

1 – датчик; 2 – соединительный кабель; 3 – измерительный блок

Порядок выполнения работы. Обработка полученных результатов

1.Включить измерительный блок 3 и выждать 15 мин (выход на рабочий режим).

2.Снять показания с прибора при нулевом угле поворота.

3.То же проделать при развороте датчика 1 на угол 90°, 180°, 270°

и360°.

4.Занести данные в табл. 15.1.

Таблица 15.1. Результаты измерений

СО, об. %

5. По полученным экспериментальным данным построить график дополнительной погрешности измерения оксида углерода от угла разворота φ, т.е. СО = f(φ). Определить минимальную и максималь­ ную дополнительную погрешности.

93

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений (см. табл. 15.1).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16

Изучение принципа действия и конструкции влагомера твердых и сыпучих тел

Цель: изучить принцип действия и конструкции влагомера твер­ дых и сыпучих тел.

Общие сведения

Методы измерения влажности твердых и сыпучих тел разделяются на две группы: прямые методы, определяющие влажность вещества в пробе, и косвенные, определяющие влажность по параметру, функцио­ нально связанному с влажностью. Косвенные методы характеризу­ ются высоким быстродействием, но имеют меньшую точность изме­ рения по сравнению с прямыми. Широкое распространение среди косвенных методов получили емкостный (диэлектрический) метод измерения влажности твердых и сыпучих веществ, а также кондукто­ метрический. Емкостный метод основан на том, что измерение влаж­ ности капиллярно-пористых тел приводит к существенному измене­ нию их диэлектрической проницаемости. У сухих тел диэлектрическая проницаемость ε = 1–6, а у воды ε = 81. Поэтому изменение диэлек­ трической проницаемости вследствие изменения влажности матери­ ала определяют по изменению емкости конденсатора. Включение ем­ костного преобразователя в высокочастотный контур позволяет ис­ пользовать резонансные цепи в приборах для измерения емкости преобразователя, а по ней – влажности материала. Емкостные преоб­ разователи малочувствительны к составу материала, его структуре и контактному сопротивлению между электродами и материалами. Для большинства материалов диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, поэтому в промышленных приборах предусматривается автоматическое введение поправки на изменение температуры. По­ грешность емкостных влагомеров может составлять 0,2–0,5%.

Кондуктометрический метод измерения влажности основан на зависимости электрического сопротивления от влажности капил­

94

лярно-пористых тел. Степенная зависимость сопротивления от влажности обеспечивает высокую чувствительность кондуктометри­ ческого метода. Однако его применение ограничено большим чис­ лом влияющих величин, таких как температура, структура материа­ ла, плотность насыпки, химический состав и т.д., в связи с чем этот метод в основном используется только в лабораторных условиях.

Схема лабораторной установки

Лабораторная установка включает измеритель влажности – влаго­ мер МГ4, который состоит из электронного блока, коаксиального пре­ образователя, устройства для уплотнения пробы и контрольного образца.

Принцип работы влагомера основан на диэлькометрическом мето­ де измерения влажности, т.е. на корреляционной зависимости диэлек­ трической проницаемости материала от содержания в нем влаги при положительных температурах. При взаимодействии с измеряемым ма­ териалом емкостный преобразователь вырабатывает сигнал, пропор­ циональный диэлектрической проницаемости, который регистриру­ ется измерительным блоком и преобразуется в значение влажности. Результаты измерения выводятся на экран дисплея влагомера.

Порядок проведения работы. Обработка полученных результатов

1.Включить питание влагомера, при этом на дисплее индициру­ ется сообщение «Автоподстройка – нажмите Пуск». Кнопка «Пуск» находится на датчике влажности.

2.Затем нажатием кнопки «Режим» перевести влагомер в основ­

ное меню к экрану «Выбор режима». Далее нажать кнопку «F». На­ жатием кнопки «↓» переместить мигающее поле на пункт «Юстиров­ ка» и нажать кнопку «Ввод».

3.Установить преобразователь на контрольный образец и выпол­ нить не менее трех измерений. Контрольный образец имеет влаж­ ность Wэ = 13,6%.

4.Если отклонение W от Wэ превышает ±0,6%, нажатием кнопки «Ввод» произвести юстировку влагомера.

5.Установить преобразователь в углубление донной части стака­ на для сыпучих материалов (рис. 16.1) и поворотом по часовой стрел­ ке завести шпильки в пазы фиксаторов до упора.

6.Пробу (опилки) поместить в преобразователь тремя порциями

иуплотнить каждый слой трамбовкой, заполняя объем стакана на 85–90% (5–7 мм от верхнего края стакана), и нажатием кнопки «Пуск» произвести не менее трех измерений.

7.Определить среднюю влажность пробы Wср.

95

1

2

3

4

5

6

Рис. 16.1. Общий вид коаксиального преобразователя:

1 – стакан для сыпучих материалов; 2 – фиксатор; 3 – электроды; 4 – шпилька; 5 – преобразо­ ватель (датчик влажности); 6 – кнопка «Пуск»

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений и расчеты.

4.Выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17

Изучение принципа действия дифференциально-трансформаторной системы передачи информации

Цель: изучить принцип действия дифференциально-трансфор­ маторной системы передачи информации.

96

Общие сведения

Система дистанционной передачи информации получила широ­ кое распространение для передачи информации на расстояние в пре­ делах производственного объекта (тепловой станции, котельной) с дальностью до нескольких километров:

•  система с переменной взаимоиндукцией (дифференциальнотрансформаторная);

•  система постоянного тока с унифицированным входным сиг­ налом.

Структурная схема дифференциально-трансформаторной систе­ мы передачи представлена на рис. 17.1.

P

Рис. 17.1. Дифференциально-трансформаторная система передачи:

Д – датчик; ВП – вторичный прибор; У – усилитель; РД – реверсивный двигатель

Датчик и вторичный прибор (ВП) типов КСД (комплект самопи­ шущий дифференциально-трансформаторный), КВД (комплект ви­ зуальный дифференциально-трансформаторный) или КПД (ком­ плект показывающий дифференциально-трансформаторный) имеют аналогичные дифференциально-трансформаторные преобразовате­ ли, первичные обмотки которых включены последовательно и пи­ таются переменным напряжением 24 В от силового трансформатора усилителя. Вторичные обмотки катушек, состоящие из двух секций, включены встречно. Сердечник дифференцильно-трансформатор­ ного преобразователя датчика связан с чувствительным элементом (манометрической пружиной, мембраной) прибора. Сердечник пре­ образователя, встроенного во вторичный прибор, связан через экс­ центрик с выходным валом реверсивного двигателя (РД).

При подаче переменного напряжения на первичные обмотки пре­ образователей во вторичных обмотках индуцируется ЭДС, значение и фаза которой зависят от положения сердечника в катушке.

97

При рассогласовании положений сердечников появляется сигнал разбаланса, который после усиления приводит во вращение двига­ тель РД. При этом показания прибора и положение сердечника ВП изменяются до тех пор, пока сигналы рассогласования не станут рав­ ными нулю.

Для наладки предусмотрены регулировка диапазона измерения (резистором R2) и установка нулевого положения датчика (резисто­

ром R1).

Цепь R4C1 обеспечивает необходимый сдвиг фаз. Кнопка SB пред­ назначена для контроля исправности системы.

Для обеспечения унификации и взаимозаменяемости датчиков и вторичных приборов их предмонтажная проверка должна выпол­ няться отдельно с помощью магазина комплексной взаимной индук­ тивности Р5017.

Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 17.2. В качестве контрольного прибора использован трубчатый одновитковый мано­ метр. Датчик давления – манометр электрический типа МЭД с диф­ ференциально-трансформаторным преобразователем. Первичная обмотка этого дифтрансформатора питается от вторичного прибора (НП-ПЗ-нормирующий преобразователь) переменным током 0,125 А частотой 1000 Гц (для уменьшения габаритов соленоида). При изме­ нении давления трубчатая пружина манометра распрямляется и пере­ мещает сердечник в катушке дифтрансформатора, что приводит к из­ менению взаимной индукции между двумя вторичными обмотками. Суммарный ток от двух вторичных обмоток поступает в нормирую­ щий преобразователь НП-ПЗ, в котором происходит усиление и пре­ образование в токовый сигнал от 0 до 5 мА. Ток нормирующего пре­ образователя 0–5 мА пропорционален давлению манометра МЭД.

3

~ 220 B

Рис. 17.2. Схема лабораторной установки:

1 – трубчатый манометр; 2 – манометр электрический типа МЭД; 3 – гидравлический пресс; 4 – нормирующий преобразователь; 5 – универсальный цифровой вольтметр

98

Нормирующие преобразователи служат для согласования сило­ вых и электрических цепей датчиков в выходные сигналы постоян­ ного тока 0–5 мА.

Нормированный сигнал 0–5 мА от МЭД поступает на цифровой вольтметр, градуированный в миллиамперах.

Порядок проведения работы. Обработка полученных результатов

Для определения коэффициента передачи дифференциальнотрансформаторной системы необходимо снять ее статическую ха­ рактеристику Iвых = f(Р), т.е. зависимость тока на выходе нормиру­ ющего преобразователя от давления в килограмм-силе на квадрат­ ный сантиметр (кг/см2), подаваемого на датчик МЭД прессом. Статическая характеристика позволяет определить крутизну харак­ теристики датчика и преобразователя совместно, для которой вход­ ной величиной является давление от 0 до 40 кг/см2, а выходной ве­ личиной – ток I = 0–5 мА. По результатам статической характери­ стики можно найти величину коэффициента передачи системы как отношения:

Для снятия статической характеристики необходимо заполнить таблицу замеров (табл. 17.1).

Таблица 17.1. Измерения и расчеты

10

210

320

430

540

Создать прессом избыточное давление только до заданных значе­ ний входной величины Р, указанных в табл. 17.1, и при этом записать соответствующие значения выходной величины тока I (мА) в графу той

99

же таблицы. По полученным данным построить график зависимости I = f(P), по которому определить крутизну характеристики, т.е. ко­ эффициент передачи К.

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений и расчетов (см. табл. 17.1).

4.График статической характеристики.

5.Выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18

Изучение принципа действия токовой системы передачи информации

Цель: изучить принцип действия токовой системы передачи ин­ формации.

Общие сведения

Токовая петля используется для передачи данных от измеритель­ ных преобразователей в процессе мониторинга и контроля. При низ­ кой стоимости реализации, высокой помехоустойчивости и возмож­ ности передачи сигналов на большие расстояния токовая петля ока­ залась особенно удобной для работы в промышленных условиях. В данной лабораторной работе рассматриваются базовые принципы работы токовой петли, основы проектирования, настройка.

Использование тока для передачи данных от преобразователя. Дат­ чики промышленного исполнения часто используют токовый сигнал для передачи данных в отличие от большинства других преобразова­ телей, таких как термопары или тензорезистивные датчики, которые используют напряжение сигнала. Несмотря на то что преобразова­ тели, использующие напряжение в качестве параметра передачи ­информации, действительно эффективно применяются во многих производственных задачах, существует круг приложений, где исполь­ зование характеристик тока предпочтительнее. Существенным не­ достатком при применении напряжения для передачи сигналов в промышленных условиях является ослабление сигнала при его пере­

100