МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Методи та засоби вимірювання неелектричних величин методичні вказівки
до виконання лабораторних робіт
з курсу “Методи та засоби вимірювання неелектричних величин” для студентів базового напрямку 6.051001 "Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології" стаціонарної та заочної форм навчання
Частина 2
Затверджено
на засіданні кафедри
“Інформаційно-вимірювальні
технології”
Протокол № 13 - 2008 / 2009
від 12 червня 2009 р.
Львів – 2009
Методи та засоби вимірювання неелектричних величин: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу “Методи та засоби вимірювання неелектричних величин” для студентів базового напрямку 6.051001 "Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології" стаціонарної та заочної форм навчання. Частина 2 / Укл. Є.С. Поліщук, П.І. Скоропад, П.Р. Гамула – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2009. – 70 c.
Укладачі Поліщук Є.С., канд. техн. наук, проф.,
Скоропад П.І., д-р. техн. наук, проф.,
Гамула П.Р., канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск Стадник Б.І., д-р. техн. наук, проф.
Рецензент Яцук В.О., д-р. техн. наук, проф.
ЛАБОРАТОРНA РОБОТA № 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ПІРОМЕТРИЧНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ЧАСТКОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Мета роботи – ознайомитись із принципом дії, основним и характеристиками і областю застосування пірометричних перетворювачів часткового випромінювання ,а також набути практичні навики з дослідження їх функції перетворення
ЗМІСТ РОБОТИ
1. Вивчити принцип дії пірометричних перетворювачів часткового випромінювання.
2. Ознайомитись із основними характеристиками і областю застосування пірометричних перетворювачів часткового випромінювання.
3. Ознайомитись із завданням і виконати необхідні розрахунки.
4. Експериментально зняти характеристику пірометричного перетворювача, апроксимувати її інтерполяційною формулою Лагранжа і оцінити похибку ідентифікації.
5. Оформити звіт.
ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
1. Пірометричні перетворювачі часткового випромінювання.
На сьогоднішній день поряд із традиційними контактними методами вимірювання температури широко використовуються безконтактні, або методи вимірювання температури тіл за їх випромінюванням (методи пірометрії).
Весь оптичний діапазон спектра випромінювання лежить між λ-випромінюванням і радіохвилями, і знаходиться в межах від 1 нм до 1 мм. Всередині діапазону виділяють інфрачервону область ( λ = 0,78 мкм) , що дає теплове відчуття, видиму область (0,38 ≤ λ ≤0,78 мкм) , що забезпечує зорове відчуття (відчуття кольору) і невидиму ультрафіолетову область (λ > 0,38 мкм).
В залежності від спектральної чутливості пірометричні перетворювачі бувають часткового і повного випромінювання, а також спектрального відношення. Перетворювачі повного випромінювання сприймають теплову дію нагрітого тіла всього частотного спектра його випромінювання, а пірометри часткового випромінювання - теплову дію лише в певному діапазоні довжин хвиль. Перетворювачі спектрального відношення базуються на залежності відношення яскравостей в двох або - декількох спектральних інтервалах від температури.
Серед безконтактних засобів вимірювання температури широкого розповсюдження набув агрегатний комплекс стаціонарних пірометричних перетворювачів і пірометрів випромінювання АПИР-С, що являє собою сукупність первинних пірометричних перетворювачів, вторинних вимірювальних приладів і необхідних для забезпечення їх роботи допоміжних пристроїв, об'єднаних в уніфіковані параметричні ряди пірометричних перетворювачів Державної системи приладів (ДСП). Засоби вимірювання АПИР-С призначені як для комплектування АСУ ТП, так і для створення локальних систем вимірювання, контролю і регулювання температури методом пірометрії.
В перетворювачах часткового випромінювання як чутливий елемент використовується кремнієвий або германієвий фотодіод, а позначаються вони абревіатурою ПЧД. Робочий спектральний діапазон перетворювачів ПЧД визначається типом світлофільтра і фотодіода і знаходиться в межах 0,7...1,6 мкм, 0.8...1.8 мкм
Показник візування визначається як відношення діаметра об'єкта, температуру якого вимірюють, до віддалі від об'єкта до перетворювача.
Пірометричний перетворювач того чи іншого класу (повного чи часткового випромінювання), а також робочий спектральний діапазон вибираються на основі вивчення характеристик об'єкта випромінювання і проміжного середовища. Показання пірометрів повного випромінювання істотно залежать від випромінювальних властивостей поверхонь об'єктів випромінювання і використовуються для об'єктів з високим стабільним коефіцієнтом випромінювальної здатності. Пірометри часткового випромінювання застосовуються переважно при обробці металів.
2. Особливості роботи фотодіодних приймачів випромінювання
Фотодіод - найбільш поширений приймач, що застосовується в пірометрії випромінювання. Здебільшого фотодіоди використовуються без модуляції потоку випромінювання, що дозволяє значно спростити конструкцію перетворювача і підвищити його надійність.
Фотодіоди можуть працювати в двох режимах - фотогенераторному (вентильному) і фотодіодному .
Вольт-амперні характеристики фотодіода показані на рис. 1.
В фотогенераторному режимі відсутнє зовнішнє джерело живлення, а в фотодіодному до фотодіода прикладена зовнішня запираюча напруга.
Для фотодіода, екранованого від падаючого випромінювання, характеристика мас вигляд нижньої кривої, а при попаданні на фотодіод випромінювання крива зміщується в залежності від інтенсивності випромінювання.
Прямі 1, 2 і 3 відповідають навантажувальним прямим відповідно в генераторному режимі при великому (1) чи малому (2) опорах навантаження, а також в фотодіодному режимі (3).
Схеми включення фотодіодів фотодіодному і фотогенераторному режимах показані на рис. 2.
а) б)
Рис.2. Схеми ввімкнення фотодіодів
При використанні фотодіода в фотодіодному режимі (рис. 2, а) можна отримати високу чутливість за рахунок високоомного резистора Rн але фотодіоду властиві значні шуми, а також вплив темпового струму Іт фотодіода, який залежить від прикладеної напруги і значно - від зміни температури оточуючого середовища ΔІ /ΔТ ≈ 10% / ˚С ).
Для вимірювання випромінювання низького рівня використовується фотогенераторне включення фотодіода, при якому останній сам є джерелом енергії і не потребує зовнішнього живлення (рис. 2, б).
В схемі фотогенераторного включення фотодіода можливі два граничних режими роботи:
а) неробочого ходу, коли R→∞ (пряма 1 на рис. 1 перетворюється в горизонтальну лінію);
б) короткого замикання., коли Rн→0 (пряма 2 на рис, 1 переходить в вертикальну лінію).
Режим неробочого ходу порівняно з режимом короткого замикання має набагато вищу чутливість, але більш значну залежність струму фотодіода від зміни температури оточуючого середовища (∆Ux/∆Т ≈ 0,3˚С ; ∆ІК3/∆Т ≈ 0,05%/°С).
На відміну від режиму неробочого ходу режим короткого замикання має кращі температурну і часову стабільність, а також більш лінійну світлову характеристику (залежність струму від освітленості).
Однією з найважливіших характеристик фотодіодних перетворювачів є відносна спектральна характеристика ,де Sλ = ΔI \ ∆Pλ відношення приросту фотоструму до зміни густини монохроматичного потоку з довжиною хвилі λ; Sλmax – максимальне значення монохроматичної чутливості.
Область спектральної чутливості – це область довжин хвиль, в якій в фотодіоді генерується відчутний фотострум.
Типові відносні спектральні характеристики германієвого (крива 1) і кремнієвого (крива 2) фотодіодів показані на рис. 3.
Довгохвильова границя зумовлена шириною забороненої зони напівпровідника і для Gе становить приблизно 1,8 мкм, а для Si -1,1 мкм. Короткохвильова границя (приблизно 0,4 мкм) зумовлена тим, що в області коротких хвиль коефіцієнт поглинання фотонів дуже великий, випромінювання поглинається близько до поверхні, де час релаксації дуже малий. Внаслідок цього фотоносії струму рекомбінують раніше , ніж виходять з поверхневого шару.
Фотодіоди є швидкодіючими приймачами і можуть працювати на частотах, більших за 109 Гц.
3. Основні технічні характеристики і опис конструкції досліджуваного перетворювача ПЧД
Основні технічні характеристики перетворювача ПЧД-131 градуювання ДГ-11
Діапазон вимірювання 700..1100 ˚С
Клас точності 0,6
Номінальна робоча віддаль 1000 ± 20 мм
Показник візування 1:100
Температура оточуючого середовища :
номінальна 20 ± 5 °С
робоча +5…+50 °С
Робочий спектральний діапазон 0,8...1,8 мкм
Фотодіод (германієвий фотодіод ФД-3А) працює в режимі короткого замикання. Для зменшення впливу оточуючого середовища фотодіод термостатований при температурі (39±2)°С. При встановленні перетворювача від об'єкта на віддалі, відмінній від номінальної (1000 мм), мінімальний розмір об'єкта не повинен бути меншим вказаного в табл. 1, в якій приведена залежність лінійних розмірів від віддалі до нього.
Таблиця 1
Віддаль до об'єкта, м |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
4,0 |
Діаметр об'єкта, мм |
20 |
10 |
20 |
ЗО |
40 |
50 |
70 |
Градуювальна характеристика перетворювача ПЧД-131 градуювання
ДГ-11 приведена в табл. 2.
Таблиця 2
Градуювальна характеристика перетворювача ПЧД-131 градуювання ДГ-11
№ п/п |
Температура абсолютно чорного тіла, °С |
Струм короткого замикання фотодіода, мкА |
Чутливість, мкА/°С |
1 |
700 |
2,965 |
0,042 |
2 |
800 |
7,634 |
0,069 |
3 |
900 |
16,886 |
0,124 |
4 |
1000 |
32,146 |
0,203 |
5 |
1100 |
57,671 |
0,273 |
Принципова електрична схема перетворювача пірометричного ПЧД-131 зображена на рис. 4.
Рис. 4 На схемі прийнятj такі позначення:
V1-транзистор
ГТ310А ; B1- фотодіод; R1 - опір нагрівача; Х1- вилка РС7; Х2 - колодка.
Опис конструкції перетворювача ПЧД-131
Рис.5. Загальний вигляд перетворювача ПЧД-131
Пірометричний перетворювач зібраний на двох кронштейнах 1 і 8, скріплених між собою гвинтами (рис. 5). На кронштейні 8 кріпиться об'єктив 10, апертурна діафрагма 9 і захисне скло 14, а на кронштейні 1 - польова діафрагма 7, конденсатор 6, приймач випромінювання 3 і окуляр 2, які виставляються згідно оптичної схеми.
Об'єктив складається з лінзи 2, завальцьованої в металеву втулку, яка кріпиться на кронштейні і служить для одержання зображення об'єкта в площині польової діафрагми 7.
Польова діафрагма призначена для одержання заданого показника візування.
Конденсатор 6 складається із втулки і двох однакових лінз, розділених кільцем, і призначений для передачі зображення із площини польової діафрагми в площину приймача. Захисне скло 14 служить для захисту оптичної системи від зовнішніх забруднень.
Приймач випромінювання призначений для перетворення світлового потоку в електричний сигнал і складається із фотодіода 4, світлофільтра 5 і діафрагми 14, які поміщені в термостат 13. Світлофільтр виділяє із потоку випромінювання ту спектральну область, в якій працює фотодіод як сенсор світлового потоку. Для одержання стандартної номінальної статичної характеристики передбачена апертурна діафрагма 10, пересуванням якої підганяється характеристика кожного конкретного сенсора до номінальної статичної градуювальної, характеристики.
Термостат виготовлений у вигляді двостінного циліндра, між стінками якого поміщено пінопласт. Встановлювачем температури служить транзистор ГТ310А, сигнал якого використовується для кероування манганіновим нагрівником R1 (див. рис. 4).
4. Визначення дійсної характеристики перетворювача ПЧД-1З1 і похибки ідентифікації, обумовленої похибками засобів вимірювань
Дійсну характеристику досліджуваного перетворювача можна визначити порівнянням із зразковим за температурною лампою або шляхом вимірювання температури чорного тіла, на яке скерований перетворювач, і вихідного струму перетворювача.
В даній роботі використовується другий спосіб. Очевидно, що похибки вимірювання як температури, так і вихідного струму, перетворювача спричинять похибку ідентифікації характеристики перетворювача. Оскільки до зразкових засобів вимірювань ставиться вимога, щоб вони мали похибку в 3…5 раз меншу від похибки досліджуваних, то нормована похибка досліджуваного перетворювача не може бути меншою, ніж 3…5 похибок ідентифікації.
Схема дослідження перетворювача зображена на рис. 6.
Дійсну характеристику перетворювача визначають шляхом подання напруги живлення з автотрансформатора на електричну піч і вимірювання сил струму, що протікає через однозначну міру електричного опору, при заданих температурах, які контролюються термоелектричним перетворювачем і потенціометром.
Похибка ідентифікації градуювальної характеристики пірометричного перетворювача має дві складові:
а) похибку вимірювання струму ;
б) похибку, обумовлену тим , що сама температура встановлюється (вимірюється) з певною похибкою (тобто струм вимірюється при деякій температурі Ti + ∆Тi а сила струму Іi присвоюється точці Ti ).
Похибку ідентифікації можна визначити аналогічно до знаходження похибки при непрямих вимірюваннях. Тобто, якщо
І = f( Іi ,Ti ,T ) (1)
де Іi , Ti - відповідно сила струму і температура в даній точці і =1 …n , то
∆IΣi = (2)
відповідно похибки вимірювання струму і температури та чутливість перетворювача в ній.
Струм Iі визначається шляхом вимірювання цифровим мілівольтметром спадку напруги Uі на однозначній мірі електричного опору R
Тоді
, (3)
Де – границя допустимої відносної похибки вимірювання напруги . мілівольтметром; - клас точності зразкового опору R. Основні технічні характеристики засобів вимірювань подано нижче.
Температура вимірюється за допомогою комплекту, що складається з термоелектричного перетворювача з індивідуальною статичною характеристикою перетворення і потенціометра, основні технічні характеристики яких приведені нижче.
Тоді
, (4)
де , ΔТіП – похибка вимірювання температури обумовлена похибкою відповідно ТП і потенціометра; – похибка потенціометра при вимірюванні термо-ЕРС що відповідає температурі SіTП - чутливість градуювальної кривої ТП при температурі Ті.
Сумарна похибка ідентифікації градуювальної характеристики пірометричного перетворювача ПЧД-131 в кожній із точок визначається за формулою
. (5)
ЗАВДАННЯ
1. Визначити похибку ідентифікації характеристики пірометричного перетворювача при температурі Tі , якщо задано технічні характеристики використаних засобів вимірювання температури і струму. Зробити висновки про можливе значення нормованої похибки перетворювача.
2. Провести експеримент для визначення дійсної характеристики пірометричного перетворювача. Оцінити похибку ідентифікації. Зробити висновок про можливість присвоєння класу точності перетворювачу. Апроксимувати характеристику інтерполяційною формулою Лагранжа.
ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ
1. Зняти характеристику пірометричного перетворювача при температурах 700, 800, 900, 1000 і 1100 °С спочатку при збільшенні температури до заданої а потім - при зменшенні її до заданої . Дійсне значення вимірювальної напруги, що відповідає заданій температурі, визначається як . Експериментальні дані внести в табл.3.
При вивченні характеристики слід звернути увагу на таке:
а) температура АЧТ збільшується поданням напруги живлення з автотрансформатора (U=220 В), а зменшується відключенням напруги живлення і вмиканням охолоджуючого вентилятора;
б) пірометричний перетворювач повинен бути встановлений на віддалі 1000 мм, скерований на центр АЧТ і не міняти свого положення під час експерименту;
в) при дослідженні перетворювача ПЧД-131 необхідно вивести термостат фотодіода на заданий режим, про що сигналізує мигання світлодіода на блоці живлення перетворювача;
г) встановлення необхідної температури АЧТ контролюється термоелектричним перетворювачем і потенціометром. Для контролю, наприклад, температури 700 °С, на потенціометрі необхідно виставити ЕРС , де е- номінальне значення ЕРС перетворювача при температурі гарячого злюту 700°С і температурі вільних кінців 0°С (взяти з індивідуальної статичної характеристики перетворення перетворювача);–термо-ЕРС, що відповідає температурі вільних кінців 0 °С перетворювача (взяти з градуювальної характеристики для температури оточуючого середовища ).
Коли термо-ЕРС термоелектричного перетворювача досягне значення встановленого на потенціометрі, то температура АЧТ досягне заданої, наприклад 700 °С.
2. Обчислити похибку ідентифікації характеристики пірометричного перетворювача і заповнити табл. 3 експериментальних даних.
№ |
Ті, °С |
ен, мВ |
θв ,°С |
ек, мВ |
SіТП , мВ/°С |
ΔТіТП , °С |
ΔUiТП , мкВ |
ΔТіП ,°С |
ΔТі°С |
,мВ |
,мВ |
δUi ,% |
R Ом |
δ R, % |
Ii , мкА |
ΔIi, мкА |
ΔIΣi , мкА |
2. Записати характеристики використаних засобів вимірювання.
3. Апроксимувати градуювальну характеристику інтерполяційною формулою Лагранжа та роздрукувати характеристики.
ЗМІСТ ЗВІТУ
-
Завдання.
-
Попередні розрахунки.
-
Схема дослідження.
-
Технічні характеристики використаних засобів вимірювання.
-
Таблиця результатів і формули, по яких визначались значення всіх величин, що подані в таблиці.
-
Роздрук градуювальної характеристики.
-
Висновок згідно поставленого завдання.
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
-
Пояснити принцип дії пірометричного перетворювача часткового випромінювання.
-
Який робочий спектральний діапазон пірометричних перетворювачів часткового випромінювання?
-
Чим задається спектральний діапазон пірометричних перетворювачів часткового випромінювання?
-
Які приймачі використовуються в пірометричних перетворювачах часткового випромінювання?
5. Назвати характеристики фотодіодів.
6. Охарактеризувати режими роботи фотодіодів і їх характеристики.
7. Що таке похибка ідентифікації характеристики перетворювача і як вона оцінюється ?
ДОДАТКИ
Основні технічні характеристики засобів вимірювань
Цифровий мілівольтметр ВК 2-20
Межі вимірювання |
2мВ, 20мВ |
Межа основної допустимої похибки |
|
на межі 2 мВ |
|
на межі 20 мВ |
|
де Ui вимірюване значення
Однозначна міра електричного опору
Номінальний опір R, Ом |
100 |
Клас точності δR, % |
0,01 |
Потенціометр ПП-63
Межі вимірювання |
25мВ, 50мВ, 100мВ |
Основна допустима похибка де Umin=2,5·10-5B для діапазону 25мВ Umin=5·10-5B для діапазону 50мВ Umin=10·10-5B для діапазону 100мВ |
|
Термоелектричний перетворювач ТХА з індивідуальною статичною характеристикою перетворення
T, °С |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
e, мВ |
24,128 |
33,277 |
37,325 |
41,269 |
45,108 |
SТП, мВ/°С |
0,042 |
0,041 |
0,040 |
0,039 |
0,038 |
ΔТТП, °С |
2,8 |
3,2 |
3,5 |
3,8 |
4,2 |
Номінальна статична характеристика перетворення ТХА в діапазоні 15...30°С
T, °С |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
e, мВ |
0,597 |
0,637 |
0,677 |
0,718 |
0,758 |
0,498 |
0,838 |
0,879 |
продовження
T, °С |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
e, мВ |
0,919 |
0,960 |
1,000 |
1,041 |
1,081 |
1,122 |
1,162 |
1,203 |
Інтерполяційна формула Лагранжа
де х1,... хn – виміряні значення аргумента х в точках і=1...n;
у1,... уn виміряні значення функції у в точках і=1...n;
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8
ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ВІБРАЦІЙ
Мета роботи – ознайомитись з принципом дії, будовою та застосуванням п'єзоелектричних перетворювачів й отримати практичні навики з їх застосування для вимірювання параметрів коливального руху.
ЗМІСТ РОБОТИ
1. Ознайомитись з основними поняттями віброметрії.
2. Вивчити принцип дії п'єзоелектричних перетворювачів і ознайомитись з їх основними технічними характеристиками (табл. 2.1).
3. Вивчити схеми ввімкнення акселерометрів та їх застосування для вимірювання параметрів коливального руху.
4. Виходячи з заданих викладачем частоти та амплітуди вихідного сигналу акселерометра і його чутливості, визначити амплітуду прискорень і коливань механічної системи та оцінити похибку вимірювань для заданих засобів вимірювань.
5. Виконати експеримент і опрацювати дані.