2.7 Контрольні питання

1) Який принцип давача ВУМ10-50?

2) Які ви знаєте динамічні характеристики напівпаро-відникових давачів?

3) З допомогою яких радіоелементів відбувається корекція не лінійності датчиків?

4) Як працює давач вологості при вимірюванні низьких рівнів сигналу?

5) Поясніть призначення ОП LF157?

Рис. 2.1 – Еквівалентна схема коректора не лінійності датчика з опором Rd=1 кОм

Лабораторна робота №3

3.1 Назва роботи: Дослідження динамічних характеристик первинних вимірювальних перетворювачів температури

3.2 Мета роботи: Дослідження динамічних характеристик термометрів опору і термопар при їх нагріванні і охолодженні. Тривалість: 4 аудиторні години.

3.3 Завдання роботи: для дослідження динамічних характеристик береться дві термопари ТХК-250 одна із них знаходиться з захисною арматурою, а інша – без неї і підключається до мілівольтметра МПЩПр-54М і занурюють одну в термостат інші в електричну піч нагрівають до 50ºС записують дані в протокол, пізніше охолоджують і знімають дані мілівольтметра.

3.4 Основні теоретичні відомості

Вимірювальним перетворювачем називається засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки і (або) зберігання, але не піддаються безпосередньому сприйняттю спостерігачем. Вимірювальний перетворювач, до якого підведена величина, що вимірюється, тобто перший у вимірювальному колі, називається первинним. В даній роботі як первинних вимірювальних перетворювачів застосовані термометри опору і термопара.

Вимірювання температури здійснюється на явищі теплообміну між об'єктом (середовищем), температура якого підлягає вимірюванню і первинним вимірювальним перетворювачем температури, дотичний з цим об'єктом. Теплообмін полягає в передачі теплової енергії від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Він продовжується до тих пір, поки температури обох тіл не зрівняються. Термометр не відразу приймає температуру середовища, в яке він внесений; для цього потрібний деякий час, обумовлений різницею температур середовища і термометра та тепловою інерцією. Теплова інерція тіла залежить від його теплоємності С, поверхні зіткнення тіла і середовища S і умов теплообміну між ними, що визначаються коефіцієнтом теплопередачі а. Постійна теплової інерції (постійна часу) Т, рівна

, (3.1)

де К - коефіцієнт, залежний від форми тіла.

Вимірювання температури здійснюється пристроєм, що складається з первинного вимірювального перетворювача і показуючого (реєструючого) приладу. Чутливим елементом приладу є термоперетворювач, що знаходиться в безпосередньому контакті з середовищем. Процес нагрівання (охолоджування) фізичного тіла умовно ділиться на три стадії. На першій стадії, що називаній нерегулярним режимом, стається вирівнювання температури тіла, яке нагрівається, що характеризується внутрішніми перехідними процесами. На другій стадії зміна середньої температури тіла відбувається по деякому закону. Ця стадія називається регулярним (перехідним) режимом. В період третьої стадії встановлюється рівність температур тіла і середовища. Ця стадія називається сталим режимом. Дослідним шляхом встановлено, що в період регулярного режиму нагрівання (охолодження) тіла його температура при стрибкоподібній зміні вхідної дії змінюється приблизно по експоненціальному закону; тіло, яке нагрівається представляє собою з точки зору теорії автоматичного регулювання, аперіодичне коло першого порядку. Тимчасова характеристика аперіодичного кола описується рівнянням експоненти

, (3.2)

де - температура тіла (термометра); - температура середовища; - зміна різниці температур середовища і тіла в часі; - момент початку зміни температури тіла; -момент відліку часу; Т - постійна часу. Якщо прийняти = 0, то рівняння прийме вигляд

. (3.3)

Динамічною похибкою засобу вимірювання називається різниця між похибкою засобу вимірювання в динамічному режимі і його статичною похибкою, в даний момент часу t.

При стрибкоподібній зміні вимірюваної величини динамічні властивості термоперетворювачів виражається звичайно диференціальними рівняннями, а графічно - кривими перехідних процесів (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Графік зміни температури термометра в часі

На рис. 3.1 τ _I.A. - час протікання нерегулярного режиму - від моменту зміни величини до моменту початку зміни показів термометра ; - час перехідного процесу, тобто час, протягом якого покази термометра досягає приблизно 95 % від сталого значення; - повний час встановлення незмінного значення показів термометра, коли його температура стає рівною температурі середовища.

Час, необхідний для того, щоб динамічна похибка стала рівною нулю, теоретично нескінченно великий. Практично прийнято вважати, що перехідній процес закінчується на протязі часу , який необхідній, як указувалося, для досягнення 5 % зони відхилення показів приладу від сталого значення.

Для перехідного процесу, описуваного рівнянням експоненти, постійна часу Т - період часу, протягом якого покази термометра з моменту початку його зміни досягає 63,2% встановленого значення температури. Постійна часу Т геометрично визначається проекцією на вісь часу відрізка дотичної до експоненти, який знаходиться між точкою дотику і точкою перетину дотичної з лінією сталого значення. Довжина цієї проекції однакова для всіх дотичних, проведених проведених через будь-яку точку експоненти. Фізично постійна часу Т представляє собою час, протягом якого температура термометра досягла б встановленого значення, якщо б вона змінювалася не по експоненціальному, а по лінійному закону. При одиничній стрибкоподібній вхідній дії I(t) і нульових початкових умовах постійна часу Т залежить від кута нахилу дотичної до експоненти, проведеної з точки

(3.4)

Фізичні явища, які визначають динамічні характеристики, насправді вельми складні і відхиляються від простих математичних описів. На практиці динамічні характеристики приладів визначаються експериментально. Для цього температуру середовища, в якому знаходиться вимірювальний перетворювач, змінюють скачкоподібно, а потім визначають залежність зміни показів приладу в часі. Стрибкоподібна зміна температури може бути створена шляхом внесення первинного термоперетворювача з середовища із однією температурою в середовище з іншою температурою. При цьому бажано, щоб середовище, в яке він вноситься, мало більшу теплоємність, ніж сам перетворювач. В цьому випадку збурення, що вноситься в середовище перетворювачем, буде дуже мале, і температура середовища практично не зміниться. При експериментальному визначенні динамічної характеристики перетворювача визначають залежність

де .

За отриманими даними будують графік (Рис. 3.2)

з логарифмічним масштабом по осі ординат. На графіці знаходять області нерегулярного, регулярного і встановленого режимів. Область регулярного режиму апроксимується на графіці прямою лінією, нахиленою під кутом до осі абсцис.

Якщо в області регулярного режиму вибрати дві довільні точки "а" і "b", то з трикутника аbс (рис. 3.2) слідує

Рис. 3.2 Динамічна характеристика первинного вимірювального перетворювача температури при охолодженні

Порівнюючи (3.2) і (3.1), знаходимо

звідки

(3.5)

Користуючись останньою формулою, визначають значення постійної часу.

Для термометрів опору постійна часу може коливатися в межах від декількох секунд до декількох хвилин, якщо коефіцієнт теплопередачі . Вважається, що інерція термометра мала, якщо , середня - при і велика при . На практиці тому ці значення можуть бути значно більшими. Оскільки інерційність термометра сильно залежить від його теплоємності, то істотний вплив на її складає також наявність захисної арматури, захищаючій термометр від механічних пошкоджень в процесі експлуатації.