Лабораторная работа №1
Характеристики измерительного преобразователя температуры как элемента систем автоматизации
Лабораторная работа №1
Характеристики измерительного преобразователя температуры как элемента систем автоматизации
Цель работы – изучить характеристики измерительных преобразователей температуры, экспериментально определить динамические характеристики и выполнить анализ возможности применения измерительного преобразователя в системах автоматизации производственного процесса.
Изучаемый измерительный преобразователь – термоэлектрический преобразователь температуры (термопара) типа К (хромель-алюмель).
Задание.
1. Изучить типы и характеристики измерительных преобразователей температуры.
2. Экспериментально определить динамические характеристики термоэлектрического преобразователя температуры: амплитудно-частотную и фазо-частотную.
Порядок выполнения работы.
1. Изучение типов и характеристик измерительных преобразователей температуры.
2. Экспериментальное определение переходного процесса измерительного преобразователя при ступенчатом входном воздействии.
3. Аппроксимация экспериментальных данных, определение динамических характеристик измерительного преобразователя, анализ возможности применения измерительного преобразователя в системах автоматизации производственного процесса.
4. Составление отчета.
1. Изучение типов и характеристик измерительных преобразователей температуры.
1.1. Типы измерительных преобразователей температуры.
Существуют следующие приборы для измерения температуры:
- термометры расширения, принцип действия которых основан на использовании зависимости удельного объема вещества или линейных размеров твердых тел от температуры;
- манометрические термометры, принцип действия которых основан на использовании зависимости давления веществ при постоянном объеме от температуры;
- термоэлектрические термометры, принцип действия которых основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры;
- термопреобразователи сопротивления, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления проводников (терморезисторы) и полупроводников (термисторы) при изменении их температуры;
- пирометры излучения, принцип действия которых основан на использовании теплового излучения нагретых тел.
1.1.1. Термометры расширения.
В эту группу входят жидкостные стеклянные термометры, принцип действия которых основан на тепловом расширении рабочего вещества (жидкости, удельный объем которой зависит от температуры), дилатометрические и биметаллические термометры, принцип действия которых основан на различном удлинении двух твердых тел, имеющих разные температурные коэффициенты линейного расширения.
Жидкостные стеклянные термометры. В них в качестве термометрических (рабочих) веществ применяются ртуть Hg, этиловый спирт С2Н5ОН, толуол С6Н5СН3, пентан С5Н2 и др. Наиболее широкое распространение получили ртутные стеклянные термометры, которые изготовляются двух типов: с вложенной внутренней шкалой и палочные.
Ртутный стеклянный термометр с вложенной внутренней шкалой (рис. 3-1) состоит из наружной оболочки 1, в которой расположены термобаллон с ртутью 4, тонкостенный капилляр 3 и пластинка с нанесенной на ней шкалой 2. Термобаллон припаян к наружной оболочке, закрытой герметически.
Ртутный стеклянный палочный термометр состоит из термобаллона, соединенного с толстостенным капилляром. Шкала у этого термометра нанесена на наружной поверхности капилляра в виде насечки по стеклу.
Ртутными термометрами измеряют температуру от -30 до + 500.°С. Верхний предел определяется температурой размягчения стеклянной оболочки термометра, нижний- температурой затвердевания ртути (-35 °С). Для повышения температуры кипения ртути пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом (азотом) под давлением 1,47-1,96 МПа. Для измерения низких температур (от -190 до +80 °С) предназначены стеклянные термометры с органическими заполнителями. Устройство их аналогично ртутным.
Ртутные термометры разделяются по назначению на технические, лабораторные и образцовые. Технические термометры обычно бывают с вложенной шкалой и имеют тонкую прямую или изогнутую под углом 90, 120 или 135° нижнюю часть с баллоном на конце.
Разновидностью ртутных технических термометров являются электроконтактные термометры с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания и замыкания столбиком ртути электрической цепи. Они используются в основном для сигнализации о нарушении заданного температурного режима.
Для предохранения технических термометров от повреждения их помещают в специальные металлические защитные оправы или гильзы. Зазор между баллоном и стенкой гильзы заполняется машинным маслом при измерении температуры до 150 °С, а при более высокой температуре - медными опилками. Гильзу делают такой Длины, чтобы чувствительная часть термометра находилась на оси трубопровода. На горизонтальном трубопроводе диаметром менее 200 мм термометр устанавливают наклонно навстречу потоку, а при диаметре более 200 мм - перпендикулярно оси трубы.
Рис. 1.1. Общий вид термометров с вложенной шкалой.
Жидкостные стеклянные термометры расширения, благодаря простоте конструкции, дешевизне, достаточно высокой точности измерения, используются лабораторной и производственной практике пищевых производств. К недостаткам приборов относятся плохая наглядность шкалы, хрупкость, невозможность передачи показаний на расстояние, запаздывание показаний вследствие большой тепловой инерции.
Дилатометрические термометры. На рис.1.2 показан трубчатый дилатометрический термометр, представляющий собой закрытую с одного конца трубку 1, внутри которой находится стержень 2, прижимаемый к дну трубки рычагом 3, соединенным с пружиной 4. Трубку изготовляют из материала с большим коэффициентом линейного расширения (меди, алюминия, латуни), а стержень - из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварца, инвара). При погружении термометра в измеряемую среду длина трубки изменяется, а стержня остается практически прежней. Это приводит к перемещению конца стержня относительно трубки; стержень же связан посредством рычага 3 с указательной стрелкой прибора (либо с контактным устройством в системах автоматического регулирования температуры).
Рис.1.2. Схема дилатометрического термометра.
Биметаллические термометры. Чувствительный элемент этих приборов выполнен в виде плоской или спиральной пружины, которая состоит из двух спаянных металлических полосок. Полоска 3 (рис.1.3) изготовлена из материала с большим коэффициентом линейного расширения, а полоска 4 - с незначительным. Образованная из этих полосок биметаллическая пластина меняет степень своего изгиба в зависимости от температуры. Биметаллическая пластина соединена посредством рычага / и тяги 2 со стрелкой, которая указывает температуру на шкале прибора.
Кроме показывающих, промышленность выпускает бесшкальные биметаллические термометры, использующиеся в основном в качестве электрических преобразователей или температурных реле для позиционного регулирования и сигнализации. Диапазон измерения температуры биметаллическими термометрами от -150 до +700 °С, погрешность 1 - 1,5 %. 42
Рис.1.3. Схема биметаллического термометра.