Теплотехнические измерения и приборы лабораторный практикум. Учебное пособие

электродом за счет теплоизолирующих свойств материала, находя­ щегося между ними (воздух, изолятор и т.д.);

•  регулярный режим, при котором тепло- и электроизоляцион­ ные материалы беспрепятственно передают все тепло от корпуса к электроду. С этого момента ЭДС термопары начинает быстро расти по времени;

•  режим теплового равновесия наступает через некоторое время, когда подведенное тепло dQ становится равным потерям тепла.

Для того чтобы избежать погрешностей при измерении темпера­ туры горячих сред с помощью термопар, ЭДС должна находиться глубоко в зоне теплового равновесия. Поэтому постоянная време­ ни Т является основной величиной, характеризующей динамические свойства термопар, определяя их инерционность.

По величине инерционности термопары подразделяются на мало­ инерционные – до 5 с, средней инерционности – до 60 с и большой инерционности – 180 с. Для термопар со значением показателя те­ пловой инерции более 180 с инерционность не нормируется.

В государственных стандартах на технические термопары оцен­ ка инерционности производится по времени, в течение которого ЭДС термопары, перенесенной из воды с комнатной температурой

Рис. 5.2. Определение динамических свойств термопар ХК (а) и ХА (б)

41

в кипящую воду, не доходит до значения, соответствующего +100 ºС, на 10% от полного интервала измерения температуры воды, т.е. примерно на 8 ºС.

Динамические свойства термопары зависят от конструктивного оформления (массы корпуса, применяемых тепло- и электроизоля­ ционных материалов и т.д.).

Термопары хромель – алюмель (ХА) и хромель – копель (ХК) ­являются апериодическими звеньями, передаточные функции и кри­ вые разгона которых приведены на рис. 5.2. Термопара ХК имеет за­ паздывание, равное времени прогрева теплоизоляции, τХК – посто­ янная запаздывания. Таким образом, данная термопара представляет собой два последовательно соединенных звена – апериодическое и запаздывающее.

Схема лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 5.3) для снятия кривых разгона ис­ следуемых термопар состоит из электронагревателя 1, сосуда с ки­ пящей водой 2, термопары 3 и цифрового вольтметра 4.

3

4

2

1

220

Рис. 5.3. Схема лабораторной установки

Порядок проведения работы. Обработка полученных результатов

1.Подключить исследуемую термопару к цифровому вольтметру, установив соответствующий диапазон.

2.Включить секундомер и быстро перенести термопару из ком­ натной температуры в сосуд с кипящей водой.

3.Записывать показания милливольтметра через каждые 5 с до тех пор, пока термопара не выйдет на режим теплового равновесия, т.е. 3–5 показаний вольтметра должны быть постоянными. Данные занести в табл. 5.1.

42

Таблица 5.1. Показания милливольтметра

25

3 10

...

20

4.По полученным данным построить графики переходных про­ цессов для обеих термопар (см. рис. 5.2).

5.По построенным графикам для обеих термопар определить по­ стоянную времени Т (с), коэффициент передачи к (мВ/°С), а для ТХК – время запаздывания τХК (с).

6.По итогам обработки экспериментальных данных для каждой термопары записать дифференциальное уравнение со своими Т, к, τ.

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Расчетные данные по выполненной работе (см. табл. 5.1).

4.Графики динамических характеристик обеих термопар.

5.Выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Изучение принципа действия, устройства и поверки нормирующего преобразователя

Цель: изучить принцип действия, устройства и поверки норми­ рующего преобразователя.

Общие сведения

В настоящее время широкое применение находят вторичные из­ мерительные приборы и измерительные комплексы с унифициро­ ванными входными сигналами.

43

Система измерения в этом случае состоит из первичного измери­ тельного преобразователя, нормирующего преобразователя, вторич­ ного измерительного прибора и каналов связи между ними.

При измерении температуры нормирующие преобразователи слу­ жат для преобразования неунифицированных сигналов (мВ, Ом) термопреобразователей в эквивалентные унифицированные сигна­ лы (0–5 мА, 4–20 мА, 0–20 мА, 0–10 В). Передача унифицированных сигналов от нормирующих преобразователей к вторичным приборам осуществляется токовой системой передачи.

Структурная схема нормирующего преобразователя (НП) для тер­ мопары приведена на рис. 6.1.

U

Рис. 6.1. Структурная схема нормирующего преобразователя для термопары:

КМ – компенсационный мост; Увх – входной усилитель; ГР – гальваническая развязка; Ф – фильтр; Увых – дифференциальный выходной усилитель; Iвых – сила тока на выходе; Rо.с – ­резистор обратной связи; Rн – сопротивление нагрузки; Етп – ЭДС термопары; U1 – напряже­ ние с фильтра; U2 – напряжение обратной связи

Сигнал от термопары поступает на компенсационный мост (КМ), служащий для автоматического ввода поправки на температуру холодного спая. Одно из плеч моста составляет медный резистор при трех других неизменных резисторах. Далее сигнал поступает на входной усилитель (Увх). Выходное напряжение изменяется­ в пределах 0–1 В. Следующей ступенью является устройство галь­ ванической развязки (ГР) входных и выходных цепей НП (это повышает помехоустойчивость измерительной линии). Фильтр (Ф) обеспечивает подавление помехи переменного напряжения. К выходу последнего подключен выходной усилитель (Увых) с унифицированными выходными сигналами по току и напряже­ нию. Увых представляет собой дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, на вход которого поступает напряжение U1 с фильтра, и напряжение с резистора обратной связи Rо.с, равное U2 = IвыхRо.с. Усилитель реагирует на разност­ ный сигнал U = U1 – U2 и устанавливает такой ток, при котором

U = 0.

Структурная схема нормализующего преобразователя для термо­ метра сопротивления приведена на рис. 6.2.

44

U

Рис. 6.2. Структурная схема нормирующего преобразователя для термометра сопро­ тивления:

ИМН – измерительный мост неуравновешенный; Увх – входной усилитель; ГР – гальваническая развязка; Ф – фильтр; Увых – выходной усилитель; Rо.с – сопротивление линий; Rt – термометр сопротивления; Rл – сопротивление линии; Rн – сопротивление нагрузки; Iвых – сила тока на выходе; Uст – стабилизирующее напряжение

Сигнал от термометра сопротивления (ТСП) поступает на ИМН. Мост выходит из равновесия, и на выходе моста появляется отличное от нуля измеряемое напряжение U. Его значение изменяется в пре­ делах 0–1 В. Следующей ступенькой является устройство гальвани­ ческой развязки (это повышает помехозащищенность преобразова­ теля). Фильтр обеспечивает подавление помехи переменного напря­ жения. К выходу последнего подключен выходной усилитель, обеспечивающий преобразование напряжения в выходной унифи­ цированный токовый сигнал.

Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 6.3.

3

Рис. 6.3. Схема лабораторной установки поверки нормирующего преобразователя:

1 – магазин сопротивлений; 2 – нормирующий преобразователь; 3 – цифровой универсальный вольтметр

Порядок выполнения работы. Обработка полученных результатов

1. Перед поверкой преобразователь должен находиться в работе в течении 15 мин.

45

2.Магазином сопротивлений создавать сопротивления, соответ­ ствующие определенной температуре термометра сопротивления данной градуировки как при прямом, так и обратном ходе, согласно табл. 6.1, фиксируя значения выходного сигнала преобразователя по миллиамперметру.

3.Результаты поверки занести в табл. 6.2.

Таблица 6.1. Градуировочная таблица 50П термометра сопротивления ТСП

Расчетные значения выходного сигнала преобразователя опреде­ ляются следующим образом:

где tНП – диапазон измерения нормирующего преобразователя по температуре ( tНП = 300 °С).

4. По полученным данным определить абсолютную погрешность при прямом ( I1) и обратном ( I2) ходе измерения, максимальное значение Imax, а также вариацию показаний Iв, т.е.

46

­помещенных в воздушный зазор между полюсами постоянного маг­ нита и сердечником. При этом в отличие от милливольтметров у ло­ гометров воздушный зазор между полюсами и сердечником сделан неравномерным, следовательно, величина магнитной индукции в зазоре непостоянная. Кроме того, противодействующий момент в логометре создается электрическим путем (в отличие от механиче­ ского в милливольтметре) за счет неравномерного распределения магнитной индукции.

Принципиальная схема логометра показана на рис. 7.1. В между­ полюсном пространстве постоянного магнита N, S на общей оси (двух кернах) укреплены две скрещенные и жестко связанные между собой рамки Rp’ и Rp, изготовленные из тонкой изолированной мед­ ной проволоки. Выточки полюсных наконечников сделаны так, что воздушный зазор увеличивается от центра полюсных наконечников

ких краям, а магнитная индукция уменьшается приблизительно по квадратичному закону от центра к краям полюсных наконечников. Возможна иная конструкция, когда воздушный зазор убывает от цен­ тра полюсных наконечников к их краям.

Рамки логометра включены таким образом, что их вращающие моменты М1 и М2 направлены навстречу друг другу. Подвод тока

крамкам производится либо с помощью «безмоментных» вводов, сделанных из золотых ленточек, либо посредством маломомент­ ных спиральных волосков, изготовляемых из бронзовых сплавов, от источника напряжения 4 В. На приведенной схеме (см. рис. 7.1)

Rt

Рис. 7.1. Принципиальная схема логометра

48

R1 и R2 – добавочные манганиновые резисторы, Rt – сопротивле­ ние термометра. Как видно из рис. 7.1, ток от источника питания

вточке а разветвляется и проходит по двум ветвям: ток I1 – через резистор R1, рамку Rp, термометр сопротивления Rt, ток I2 – че­ рез резистор R2 и рамку Rp’. В точке b ветви сходятся, дальше ток идет по одному проводнику до источника питания. При протека­ нии по рамкам Rp и Rp’ токов I1 и I2 создаются магнитные поля,

врезультате взаимодействия которых с полем постоянного маг­

нита возникают вращающие моменты М1 и М2, направленные на­ встречу друг другу. При условии, что R1 + Rp + Rt = R2 + Rp’, I1 = I2, равны и моменты М1 = М2 (рамки занимают положение, показан­ ное на рис. 7.1).

Если сопротивление термометра Rt вследствие нагрева возраста­ ет, то вращающий момент рамки М1 будет меньше момента рам­ ки М2, I1 < I2, поэтому подвижная часть начнет поворачиваться по часовой стрелке, т.е. в направлении момента М2. При этом рамка Rp с меньшим вращающим моментом попадает в более сильное магнит­

ное поле, ее момент увеличивается, а момент рамки R ’ наоборот будет­

p

уменьшаться. При определенном угле поворота вращающие момен­ ты сравняются, рамки остановятся, стрелка прибора зафиксирует новое значение температуры. Это произойдет при условии, что М1 = М2, В1I1 = B2I2. Отсюда получим, что

С учетом того, что значение отношения В2 / В1 является функци­ ей угла отклонения подвижной части, уравнение (7.1) можно пред­ ставить в виде

где ϕ – угол отклонения подвижной части или указателя логометра; F – обратная функция для f.

Подставив в уравнение (7.2) значения токов I1 и I2

49

получим

Резисторы R1, R2, Rp и Rp′ являются постоянными величинами, поэтому

где ϕ выступает функцией измеряемого сопротивления термометра.

Схема лабораторной установки

Методика поверки логометра. В процессе эксплуатации логоме­ тров их градуировка может самопроизвольно колебаться вследствие изменения:

•  температуры окружающей среды; •  напряжения источника питания;

•  момента трения в опорах из-за износа кернов, подпятников и др.

Этим и обусловлена необходимость их испытания с целью по­ верки шкалы логометра, которая производится с помощью об­ разцового магазина сопротивления (МС). Схема лабораторной установки для поверки логометра приведена на рис. 7.2.

+

-

Рис. 7.2. Схема лабораторной установки для поверки логометра:

1–4 – клеммы

50