Лаб работа Автоматика 1

3

1 Общие положения

Лабораторный практикум по курсу «Автоматика, автоматизация и АСУ ТП» проводится в соответствии с предусмотренным планом количеством часов и графиком, составленным для каждой учебной группы. Перечень лабораторных работ для каждой специальности утвержден в рабочих программах.

На первом занятии студенты проходят инструктаж по технике безопасности при выполнении лабораторных работ, о чем делается запись в соответствующем журнале.

Кначалу лабораторного занятия студент обязан ознакомиться с содержанием и методикой выполнения предстоящей работы, как по настоящим методическим указаниям, так и по рекомендуемым литературным источникам. Особое внимание следует обратить на устройство и принцип действия приборов, уяснить смысл физических явлений, описываемых фундаментальными законами сохранения вещества и энергии, которые положены в основу работы приборов и устройств автоматики. Необходимо также подготовить протоколы и таблицы для записи экспериментальных данных. Студент, не подготовленный к занятию, к работе не допускается.

Кначалу лабораторных занятий студент должен сдать преподавателю отчет по предыдущей работе, если он не был сдан в день выполнения работы. Требования к отчетам указаны в методических указаниях к работам. Студент, не сдавший отчеты по двум предыдущим работам, к дальнейшему прохождению лабораторного практикума не допускается. Для студентов, отстраненных от работы в связи с неподготовленностью или задолженностью по предыдущим работам, преподаватель назначает дополнительное время для выполнения пропущенной работы.

2 Методические указания по проверке работоспособности и

градуировке контрольно-измерительных приборов

При измерении любой физической величины с помощью различных средств измерений, как бы тщательно не осуществлялось измерение, невозможно получить результат, свободный от искажений. Эти искажения могут возникать вследствие несовершенства применяемых методов и средств измерений, влияния на показания прибора условий измерения и ряда других причин. Искажения, сопровождающие всякое измерение, обуславливают погрешности измерений — отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины.

Абсолютная погрешность измерения выражается в единицах измеряемой величины и определяется по формуле:

где А — значение, полученное при измерении,

4

А0 — истинное значение измеряемой величины Поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным, в качестве А0 условно принимают значение, называемое действительным, которое получено с помощью метода или прибора более высокой точности.

Относительная погрешность выражается в процентах и определяется по формуле

Приведенной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности измерения к полному размаху шкалы прибора, выраженное в процентах:

где АН и Ак — показания прибора в начале и конце шкалы.

Вариацией называется наибольшая экспериментально полученная разность между показаниями измерительного прибора, соответствующая одному и тому же действительному значению измеряемой величины при прямом и обратном ходах (в неизменных условиях измерения):

где Ап и Аоб — показания измерительного прибора при прямом и обратном ходах.

Вариации вызываются трением в механизме прибора, зазорами(люфтами) в кинематических парах, гистерезисом, остаточными деформациями в упругих элементах прибора и т.п. Вариация, выраженная в процентах от размаха шкалы прибора, должна быть меньше допустимой основной погрешности прибора:

Метрологической характеристикой точности большинства технических средств измерений являются пределы основной и дополнительной погрешностей. Основной погрешностью называется погрешность средства измерения, используемого в нормальных условиях его эксплуатации, определяемых ГОСТами или другими техническими условиями на средства измерений. Под нормальными понимают такие условия эксплуатации прибора, при которых влияющие на измерение величины (температура, давление, влажность окружающего воздуха, напряжение питания, уровень вибраций и т.п.) находятся в пределах допустимых значений. Дополнительной называется погрешность, возникающая при выходе параметров, характеризующих условия эксплуатации прибора, за область допустимых значений. Под пределами основной и дополнительной погрешности понимают наибольшую (без учета знака) соответствующую погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. Пределы допустимых основной

5

и дополнительной погрешностей средств измерений устанавливаются в виде абсолютных и приведенных погрешностей.

Класс точности — это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допустимых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющих на их точность, значения которых регламентируются стандартами. Под классом точности понимают число, соответствующее абсолютной величине допустимой основной приведенной погрешности. Это число приводится на шкале прибора или в его технической характеристике. Классы точности приборов выбираются из ряда:

К=(1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0) 10п,

где п = 0;-1;-2;...

Приборы автоматического контроля выпускаются классом от 0,2 до 4,0.

Для определения фактической погрешности измерительных приборов их периодически подвергают поверке. Поверкой называется комплекс мероприятий, проводимых с целью установления работоспособности прибора и достоверности его показаний. Поверка измерительных приборов заключается в определении его наибольшей приведенной погрешности и сравнение ее с классом точности данного прибора. Прибор считается годным для эксплуатации, если его наибольшая приведенная погрешность и вариация, определяемая по формуле (2.5), не превышают присвоенный ему класс точности.

Для выполнения поверочных операций необходимо располагать измерительными устройствами более высокого класса точности: класс точности поверяющего прибора должен быть на 3-5 классов выше класса точности поверяемого прибора. Приведенная погрешность и вариация определяются для всех оцифрованных отметок шкалы поверяемого прибора при прямом и обратном ходах измерений. Данные поверки заносятся в протокол.

Градуировкой измерительного прибора называется операция, посредством которой делениям шкалы прибора присваиваются значения, выраженные в единицах измеряемой величины.

3 Изучение и проверка работоспособности приборов измерения температуры 3.1 Лабораторная работа №1 «Изучение и проверка

работоспособности потенциометра и милливольтметра»

Цель работы: Изучение устройства и принцип действия автоматического потенциометра и милливольтметра; приобретение навыков по проверке работоспособности указанных приборов.

3.1.1 Общие сведения

Термоэлектрический термометр состоит из термоэлектрического пре-

6

образователя температуры (термопары) и вторичного прибора. Измерение температуры осуществляется косвенным методом — путем измерения с помощью вторичного прибора термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) термопары, однозначно зависящей от разности температур рабочего (горячего) спая термопары и ее свободных концов. Эта зависимость (статическая характеристика термопары) стандартизована для температуры свободных концов, равной 0ºС. При температуре свободных концов Т ºС величина ЭДС термопары ЕТ(t) отличается от стандартной на постоянную величину Е0 (Т):

где ЕТ(t) и Е0 (t) — ЭДС термопары при температуре рабочего спая t ºС и температуре свободных концов соответственно Т ºС и 0 ºС;

Е0(Т) — ЭДС термопары при температуре рабочего спая Т ºС и температуре свободных концов 0 ºС.

По уравнению (3.1) характеристика термопары может быть пересчитана для любой температуры свободных концов термопары.

В качестве вторичных приборов для измерения термоЭДС применяются милливольтметры и автоматические потенциометры. Шкалы вторичных приборов, предназначенных для работы с термопарами, градуированы в единицах температуры. Так как зависимости термоЭДС Ео(t) от температуры у различных типов термопар отличаются друг от друга, на шкале конкретного прибора указывается тип термопары, для которой проградуирована шкала данного прибора: ХК — хромель-копелевая термопара, ХА — хромельалюмелевая и т.д. Термопары других марок в комплекте с данным прибором не могут применяться без градуировки его шкалы.

Следует помнить, что градуировка шкалы приборов может быть произведена и при температуре свободных концов термопары, отличной от 0 ºС. В современных автоматических потенциометрах, предназначенных для работы с термопарами (потенциометры могут применяться для измерения других физических величин, преобразованных в напряжение постоянного тока), предусмотрена автоматическая компенсация измерения действительной температуры свободных концов термопары для исключения возникающей при этом ошибки измерения температуры.

В основу работы потенциометра положен компенсационный метод измерения, заключающийся в уравновешивании (компенсации) измеряемой ЭДС известным падением напряжения.

Принципиальная схема измерения ЭДС термопреобразователя компенсационным методом показана на рисунке 3.1.1. Схема содержит: Б — батарею; г- реостат; Rр — калиброванный реохорд; НГ — нуль-гальванометр; Т — термоэлектрический преобразователь (термопару); НЭ — нормальный элемент Вестона; RK — контрольное сопротивление; П — переключатель.

Простейшая потенциометрическая схема состоит из трёх взаимосвя-

7

занных электрических цепей — рабочей, измерительной и контрольной. Под действием ЭДС батареи в рабочей цепи протекает ток Iр, величина которого определяется суммой трёх сопротивлений — реостата г, сопротивления RK и сопротивления реохорда Rр . При постоянстве тока Iр реохорд может рассматриваться как известный источник напряжения, величина которого определяется положением движка, а полярность — направлением тока в рабочей ветви. К реохорду встречно через нуль-гальванометр НГ, называемый нульприбором, подключён термопреобразователь Т с неизвестным значением ТЭДС. В случае неравенства ЕХ и падения напряжения UАД на участке реохорда АД в измерительной цепи возникает напряжение разбаланса, наличие которого определяется по отклонению стрелки нуль-прибора. При перемещении движка реохорда в направлении, соответствующем уменьшению напряжения разбаланса, в момент равенства ЕХ = UАД стрелка нуль-прибора установится на нулевой отметке, т.е. ток в измерительной цепи будет равен нулю, и по шкале калиброванного реохорда можно определить величину падения напряжения, а следовательно, и неизвестную ЭДС. Результат измерения будет правилен лишь при условии постоянства тока IР. Поскольку ЭДС батареи изменяется с течением времени вследствие необратимости протекающих в ней при разрядке электрохимических процессов, ток в рабочей цепи поддерживается постоянным за счёт изменения сопротивления реостата г.

Установка рабочего тока производится с помощью контрольной цепи. Для этого переключатель П устанавливают в положение К (контроль). При этом термопара Т отключается от схемы, нормальный элемент НЭ подключается так, что его напряжение сравнивается с напряжением на контрольном сопротивлении RК. Равенству ЕНЭ =IРRK соответствует требуемое значение тока IР. При выполнении этого условия ток через нуль-прибор протекать не будет и его стрелка должна находится на нулевой отметке, что достигается путём изменения сопротивления реостата г. Данный метод измерения ЭДС является одним из наиболее точных.

КИ Т

Рисунок 3.1.1 — Принципиальная схема измерения ТЭДС

3.1.2 Описание лабораторного стенда

На лабораторном стенде (рисунок 3.1.2) смонтированы: автоматиче-

8

ский показывающий и самопишущий потенциометр КСП 2 (градуировка ХК, шкала 0-300 ºС, класс точности 0,5), показывающий милливольтметр Щ4500 (градуировка ХК, шкала 0-600 ºС, класс точности 1,5), универсальный измерительный прибор УПИП — 60М (класс точности 0,05), тумблер подачи напряжения.

Рисунок 3.1.2 — Схема лабораторного стенда

3.1.3 Задание к выполнению работы

1)Ознакомиться с лабораторным стендом и установленными на нем приборами.

2)Проверить работоспособность автоматического потенциометра

КСП 2.

3)Проверить работоспособность милливольтметра Ш4500.

3.1.4 Методика выполнения работы

Проверка работоспособности автоматического потенциометра КСП 2 и милливольтметра Ш4500 заключается в сравнении их показаний на оцифрованных отметках шкалы при экспериментальных значениях напряжения (имитирующего термоЭДС) со значениями градуировочной характеристики соответствующей термопары (см. таблицу 3.1), определении максимальной приведенной погрешности и сравнении ее (и приведенной вариации) с классом точности приборов КСП 2 и Ш4500.

Проверка производится с помощью образцового прибора УПИП-60М, который в данном случае служит источником калиброванного напряжения u(t), имитируя ЭДС термопары, и подключается вместо нее к входным клеммам автоматического потенциометра КСП 2 и милливольтметра Ш4500.

Шкала используемого в данной работе автоматического потенциометра проградуирована при температуре свободных концов термопары 30 ºС, поэтому градуировочную характеристику термопреобразователя (таблица 3.1) следует пересчитать по формуле (3.1), т.е. найти зависимость Е30(t).

9

Таблица 3.1 — Градуировочная характеристика термопары ХК

Свободные концы при 0 ºС

Проверка работоспособности потенциометра начинается с конечной (наибольшей) оцифрованной отметки шкалы и продолжается до начальной (наименьшей). При переходе через значение температуры, равной температуре свободных концов термопары (в данном случае 30 ºС), подаваемое на прибор напряжение становится отрицательным. При этом полярность подключения прибора УПИП-60М ко входу КСП2 должна быть изменена на противоположную.

По результатам испытаний приборов рассчитываются абсолютные и приведенные погрешности, а также приведенная вариация, которые сравниваются с допустимыми для данных приборов погрешностями. При вычислении погрешности автоматического потенциометра и милливольтметра под А

вформулах (2.1), (2.2), (2.5) понимается величина термоЭДС.

3.1.5Порядок проведения работы

1)Подключите измерительный прибор УПИП-60М к автоматическому потенциометру КСП 2.

2)Подайте напряжение на стенд тумблером 2, расположенным на панели управления.

3)Включите прибор УПИП-60М тумблером, находящимся в левой части прибора. Перед работой необходимо установить требуемый рабочий ток в измерительных контурах прибора УПИП-60М. Для этого тумблер прибора установите в положение К (контроль рабочего тока) и нажмите кнопку «грубо». Вращая ручку регулятора «рабочий ток», установите стрелку гальванометра на 0. Затем отожмите кнопку «грубо». Нажмите кнопку «точно». Стрелка нуль-гальванометра отклонится от нулевого положения. Ручкой регулятора «рабочий ток» установите стрелку гальванометра на 0. Отожмите кнопку «точно». Прибор УПИП-60М готов к проверке работоспособности автоматического потенциометра.

Тумблер установите в положение И (измерение). Ручкой регулятора напряжения mV установите стрелку автоматического потенциометра КСП 2 на проверяемую отметку шкалы. Нажав кнопку «грубо», ручками универсального прибора УПИП-60М, связанными со шкалами, установите стрелку нуль-гальванометра на 0. При установке показаний на шкалах ориентируйтесь на данные градуировочной таблицы для проверяемой отметки шкалы. Затем отожмите кнопку «грубо», нажмите кнопку «точно» и, вращая правую ручку прибора УПИП-60М, установите стрелку нуль-гальванометра на 0.

10

Отожмите кнопку «точно». Сумма показаний двух шкал, умноженная на кратность, и есть величина напряжения (мВ), имитирующего термоЭДС для поверяемой отметки шкалы. Кратность определяется положением переключателя, который находится в правой части УПИП-60М (х1, х0,5, х2).

Проделайте описанные операции для всех оцифрованных отметок шкалы КСП 2 для прямого и обратного хода, занося результаты измерения имитируемой ТЭДС (напряжения) в таблицу 3.2.

4)Отключите напряжение на стенде тумблером 2.

5)Подключите измерительный прибор УПИП-60М к милливольтметру

Ш4500.

6)Проведите проверку работоспособности милливольтметра Ш4500 аналогично проверке потенциометра. Занесите результаты измерений имитируемой ТЭДС (напряжения) в таблицу 3.2 для опытов прямого и обратного хода.

Таблица 3.2 — Протокол испытаний прибора

7)Рассчитайте погрешности приборов.

3.1.6Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1)цель работы;

2)принципиальные схемы потенциометра и милливольтметра;

3)методику проверки работоспособности автоматического потенциометра и милливольтметра;

11

4)протоколы испытаний приборов;

5)выводы по работе.

3.1.7 Контрольные вопросы

1)В чем заключается принцип действия автоматического потенциометра и милливольтметра?

2)В чем заключается принцип измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей (термопар)?

3)Что понимается под градуировочными характеристиками термопар?

4)Какова методика пересчета градуировочных характеристик термопар при изменении температуры ее свободных концов?

Каковы источники ошибок при измерении температуры с помощью термопар?

3.2 Лабораторная работа №2 «Изучение и проверка работоспособности электронного моста и логометра»

Цель работы:

1)изучение устройства и принцип действия электронного моста и ло-

гометра;

2)приобретение навыков по проверке работоспособности указанных приборов.

3.2.1 Общие сведения

Лабораторный стенд состоит из термопреобразователя сопротивления и вторичного прибора. Измерение температуры осуществляется косвенным методом путем измерения с помощью вторичного прибора электрического сопротивления датчика Rt(t) (платиновой или медной проволоки), однозначно зависящего от температуры. В качестве вторичных приборов используются логометры и автоматические уравновешенные мосты, шкалы которых проградуированы в единицах температуры. В промышленности выпускаются термопреобразователи сопротивления со статическими температурными характеристиками, соответствующими ГОСТ 651-94. Поскольку существует несколько стандартных градуировок термопреобразователей сопротивления, то на шкале конкретного прибора указывается та из них, по которой проградуирован данный прибор. Термопреобразователи других градуировок в комплекте с данным прибором применяться не могут без переградуировки его шкалы.

12