Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
АГЕНСТВО РФ ПО ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКЕ
ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БЕРЕЗНИКОВСКИЙ ФИЛИАЛ
КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
на заседании кафедры
« » 2006 г.
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПОМОЩИ ТЕРМОМЕТРА СОПРОТИВЛЕНИЯ. ПОВЕРКА ВТОРИЧНОГО ПРИБОРА, РАБОТАЮЩЕГО В КОМПЛЕКТЕ С ТЕРМОМЕТРОМ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Методические указания к лабораторным и практическим работам по курсу «Системы управления химико-технологическими процессами», «Автоматизация производственных процессов» для студентов специальностей 240301, 240801
Березники 2006 г.
1.1. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. За погрешность измерения не следует принимать погрешность измерительного прибора, с помощью которого производится измерение. Погрешностью измерительного прибора является разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины. Погрешность измерения обусловлена многими характеристиками измерительного процесса, в том числе и погрешностью измерительного прибора.
Погрешность измерительного прибора определяется структурными и конструктивными особенностями самого прибора, свойствами примененных в нем материалов и элементов, особенностями технологии изготовления, градуировки.
Погрешности приборов можно классифицировать по различным признакам: единице измерения величины; характеру связи между величиной погрешности и измеряемой величиной; закономерности появления погрешности при многократных испытаниях прибора; условиям и причинам появления погрешности.
В зависимости от единицы измерения различают абсолютные, относительные и приведенные погрешности.
Абсолютная погрешность средства измерения (СИ) выражается в единицах измеряемой величины х или выходного сигнала у измерительного преобразователя (ПП). Абсолютная погрешность СИ в единицах х (или погрешность, приведенная к входу СИ) равна разности между показанием прибора хп и истинным значением измеряемой величины
∆ = хп - х (2.1)
Однако, поскольку истинное значение измеряемой величины остается практически неизвестным, вместо него используют действительное значение измеряемой величины Х0.
Абсолютная погрешность ИП, приведенная к его выходу:
∆у = у у0, (2.2)
где у = f (х) фактический выходной сигнал ИП, соответствующий его реальной статической характеристике;
у0=f(x0) идеальный выходной сигнал ИП, соответствующий его идеализированной (заданной) статической характеристике.
Относительная погрешность СИ равна отношению абсолютной погрешности х или ∆у к действительному значению х0 измеряемой величины х или выходного сигнала ИП у0:
δx = Δ/x0 ≈ Δ/xп
δу = Δу/у0 ≈ Δу/у
Относительная приведенная погрешность отношение абсолютной погрешности СИ к нормирующему значению XN:
δп = Δ/ XN
Чаще всего нормирующее значение выбирают равным величине диапазона измерений:
XN = Хmax Xmin.
Величины δx, δy, δп обычно выражают в процентах:
δx = (Δ/xп)*100%
δу = (Δу/у)* 100%
δп = (Δ/ XN )* 100%
В технике применяют приборы для измерения лишь с определенной заранее заданной точностью основной погрешностью, допускаемой нормами.
Если прибор работает в условиях, отличных от нормальных, то возникает дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора. К дополнительным погрешностям относятся: температурная, вызванная отклонением температуры окружающей среды от нормальной; установочная, обусловленная отклонением положения прибора от нормального рабочего положения, и т. п. За нормальную температуру окружающего воздуха принимают 20°С, за нормальное атмосферное давление 101,325 кПа.
Обобщенной характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый предельными значениями допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими параметрами, влияющими на, точность средств измерения; значение параметров установлено стандартами на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, так как точность зависит также от метода измерений и условий их выполнения. Измерительным приборам, пределы допускаемой основной погрешности которых заданы в виде приведенных (относительных) погрешностей, присваивают классы точности, выбираемые из ряда следующих чисел: (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)*10n, где п = 1; 0; -1; -2 и т. д.
Класс точности измерительного прибора равен наибольшему значению δп mах, выраженному в процентах:
∆max
K = δп mах *100 = -------------- 100
Xmax - Xmin
Государственными стандартами для разных приборов установлены различные классы точности, которые указывают на циферблате прибора.
Для определения погрешности измерительного прибора производится поверка средства измерения. Поверкой называется операция сравнения показаний поверяемого прибора с показаниями образцового прибора. По результатам этой поверки определяются метрологические характеристики средства измерения и делается заключение о возможности его эксплуатации.
1.2 Термопреобразователи сопротивления
Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если известна зависимость между электрическим сопротивлением Rt термопреобразователя сопротивления и его температурой t то, измерив Rt, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен. Зависимость Rt=f(t)называется градуировочной характеристикой.
Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от 260 до +1100°С. К металлическим проводникам термопреобразователей сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразователей сопротивления. К числу не основных, но желательных требований относятся: линейность функции Rt=f(t), по возможности высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления
большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала.
Чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным основным требованиям и тем больше значения отношения
R100/R0 и α.
где R0 и R100 электрические сопротивления металла при 0 и 100°С соответственно.
Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в нем механических напряжений, принято характеризовать значениями W100=R100/R0 и α.
Изменение сопротивления материала с изменением температуры от 0 до 100°С характеризуется коэффициентом α0,100=((R100R0)/R0)100.
Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для большинства чистых металлов он равен 4*10-3б*10-3 0С-1, что составляет увеличение электрического сопротивления при повышении температуры на один градус примерно на 0,40,6% от сопротивления при 0°С. Для изготовления стандартизованных термопреоразователей сопротивления в настоящее время применяют платину и медь.
Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления, равный 3,94*10-3 0С-1, и высокое удельное сопротивление 0.1*10-6 Ом*м. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от 260 до + 1100°С, при этом для диапазона температур от 260 до +750°С используются платиновые проволоки диаметром 0,05-0,1 мм, а для измерения температур до 1100°С, в силу распыления платины при этих температурах, диаметр проволоки составляет около 0,5мм. Значение отношения W100=R100/R0 для применяемых платиновых проволок составляет 1,38501,3910.
Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Платиновые термопреобразователи сопротивления используются в качестве рабочих, образцовых и эталонных термометров. С помощью последних осуществляется воспроизведение международной шкалы температур в диапазоне от 182,97 до 630,5 °С.
Недостатком платины является нелинейность функции Rt=f(t)и, кроме того, платина очень дорогой металл.
Медь один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от 50 до +200°С. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. Диаметр медной проволоки обычно 0,1 мм, а значение отношения W100=R100/R0 составляет 1,4260 1,4280. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры линейна и имеет вид Rt=R0(l + at),
где к = 4,26*10-3 0С-1.
Никель и железо благодаря своим относительно высоким температурным коэффициентам электрического сопротивления и сравнительно большим сопротивлениям хотя и используются для измерения температуры в диапазоне от 50 до +250°С, однако широко не применяются. Это связано с тем, что градуировочная характеристика их нелинейна, а главное, не стабильна и не воспроизводима, и потому термопреобразователи сопротивления, изготовленные из этих металлов, не стандартизованы.
Конструкция технических термометров с металлическим термопреобразователем сопротивления показана на рис. 1.
Тонкая проволока или лента из платины или меди наматывается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой проволоки каркас вместе с проволокой покрывают слюдой. Длина намотанной части каркаса с платиновой проволокой 50-100 мм, а с медной 40 мм. Каркас для защиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3, а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части каркаса между последней и защитной гильзой 3 устанавливаются упругие металлические пластинки 4 или массивный металлический вкладыш. Помимо наматываемого проволокой каркаса используются двух- и четырехканальные керамические каркасы. В каналах размещают проволочные платиновые спирали, которые фиксируются в каналах каркаса с помощью термоцемента на основе оксида алюминия и кремния. При изготовлении медных термопреобразователей сопротивления применяют безындукционную бескаркасную намотку. В качестве материала используют изолированную медную проволоку диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. Гильзу 3 с ее содержимым помещают во внешний, обычно стальной, замкнутый чехол 5, который устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 6. |
|
Рис.1 Конструкция термометра сопротивления с металлическим термопреобразователем |
На внешней стороне чехла располагается соединительная головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы.
Термопреобразователи сопротивления выпускаются следующих исполнений: погружаемые и поверхностные; стационарные и переносные; негерметичные и герметичные; обыкновенные, пылезащищенные, водозащищенные, взрывобезопасные, защищенные от агрессивных сред и других внешних воздействий; малоинерционные, средней и большой инерционности; обыкновенные и виброустойчивые; одинарные и двойные; IIII классов точности; с двумя четырьмя выводами.
Выпускаются термопреобразователи сопротивления следующих номинальных статических характеристик преобразования (градуировок): платиновые 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П; медные10М, 50М, 100М. Число в условном обозначении характеристики показывает сопротивление термопреобразователя при 0°С(R0). Буква «П» или «М» указывает на применяемый материал - соответственно платина или медь. Основные характеристики термопреобразователей сопротивления приведены в таблице 1.1
Таблица 1.1
Тип термометра сопротивления |
Применяемый материал |
Диапазон температур, 0С |
Градуировка (НСХ) |
Сопротивление термопреобразователя при 0°С(R0) Ом |
W100=R100/R0 |
ТСП |
платина |
-260…11000С |
1П |
1 |
1,38501,3910 |
5П |
5 |
||||
10П |
10 |
||||
50П |
50 |
||||
100П |
100 |
||||
500П |
500 |
||||
Гр.20* |
10 |
||||
Гр. 21* |
46 |
||||
Гр. 22* |
|||||
ТСМ |
медь |
-50…1800С |
10М |
10 |
1,4260 1,4280 |
50М |
50 |
||||
100М |
100 |
||||
Гр.23 * |
53 |
||||
Гр.24* |
* - градуировки являются устаревшими
Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления применяются для измерения температуры от 100 до 300 °С. В качестве материалов для них используются различные полупроводниковые вещества оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия.
Основным преимуществом полупроводников является их большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 35%, что делает их очень чувствительным к изменению температуры. Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому даже при очень малых размерах обладают значительным номинальным электрическим сопротивлением (от нескольких до сотен килоом), что позволяет не учитывать сопротивления соединительных проводов и элементов измерительной схемы. Следствием же малых размеров полупроводниковых термопреобразователей сопротивления является возможность безынерционного измерения температуры.
Недостатком полупроводниковых материалов является их значительная нелинейность и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. Поэтому полупроводниковые термопреобразователи сопротивления даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.
Исключением являются германиевые термопреобразователи сопротивления, которые при технических измерениях используются для температур 3090 К с погрешностью ±(0,050,1) К, а также специальный германиевый термопреобразователь, предназначенный в качестве эталонного термометра для воспроизведения температурной шкалы в интервале 4,213,81 К с погрешностью не более ±0,001 К.
Чувствительные элементы из полупроводников выполняются в виде цилиндров, шайб, бусинок малых размеров.
В силу указанных недостатков полупроводниковые термопреобразователи сопротивления редко используются для измерения температуры. Они находят широкое применение в системах температурной сигнализации, вследствие присущего им релейного эффекта скачкообразного изменения сопротивления при достижении определенной температуры. Кроме того, полупроводниковые термопреобразователи сопротивления используются в качестве чувствительных элементов в различных газоаналитических автоматических приборах.
1.3. Вторичные приборы, работающие в комплекте с термопреобразователями сопротивления
1.3.1 Логометр
При измерениях сопротивления проводных ТС методом отклонения указателя применяются логометры, которые широко используются в практике технологического контроля для измерения температуры в комплекте с ТС. Измерительный механизм логометра состоит из двух рамок, жестко скрепленных под небольшим углом , поворачивающихся на опорах (кернах) около вертикальной оси в неравномерном воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и сердечником. Неравномерность воздушного зазора обуславливает непостоянную магнитную индукцию вдоль зазора. Противодействующий момент и вращающий создается электрическим полем одной из рамок. Поэтому токоподводы к рамкам не должны создавать механического противодействующего момента, чтобы не влиять на положение равновесия, обусловленное вращающими моментами двух рамок.
Рамки R1 и R2 подключены таким образом, чтобы их вращающие моменты M1 и M2 были направлены встречно. Ток I0 от источника питания E в точке а разветвляется на токи I1 и I2, которые протекают по двум ветвям: I1 через Rл, Rt, Rл и рамку R1; I2 через R и рамку R2. В точке б ветви сходятся и дальше ток I0=I1+I2 идет по одному проводнику до E.
При протекании по рамкам токов I1и I2 создаются магнитные поля, в результате взаимодействия которых с полем постоянного магнита возникают вращающие моменты (соответственно М1 и М2), направленные встречно. При равенстве
Rл + Rt +Rл + R1 = R + R2 и I1=I2
моменты равны М1=М2 и рамки расположены симметрично (рис.7). Если сопротивление Rt возрастает, то ток I1 снижается, а ток I2 повышается и М2>M1. Подвижная система будет поворачиваться влево. При этом рамка R1 перемещается в более сильное магнитное поле и ее момент увеличивается, а момент М2 уменьшается. При определенном угле поворота вращающие моменты сравняются и рамки остановятся.
На рис.6 показана принципиальная схема логометра.
Рис.1.2. Принципиальная схема логометра
При равновесном состоянии подвижной системы
М1=М2 или S1* n1*B1*I1 = S2* n2*B2*I2
где: B1 , B2 - магнитные индукции в местах расположения рамок;
n1 , n2 число витков рамок R1, R2;
S1 , S2 активные площади рамок R1, R2.
Так как рамки выполняются одинаковыми, то
S1* n1 = S2* n2
и получаем B1* I1 = B2* I2
откуда I1/I2 = B2/B1
Отношение B2/B1 является функцией угла отклонения подвижной системы, поэтому I1/I2 = f()
или = F(I1/I2)
Подставим в это уравнение значения токов
I1 =Е/(2Rл + Rt + R1) и I2 = Е/(R + R2)
Получим = F[(2Rл + Rt + R1)/(R + R2)]
Так как R1, R2, Rл и R постоянные величины, то окончательно имеем
= F(I1/I2)*F(Rt)
т.е. угол отклонения подвижной части (указателя) зависит от изменения измеряемого сопротивления Rt.
Для увеличения чувствительности рамки логометра включают в симметричную мостовую схему, которая позволяет осуществлять температурную компенсацию и упрощает подгонку схемы для ТС разных градуировок и разных пределов измерения.
1.3.2 Автоматический мост
В данном методе используются мостовые измерительные схемы уравновешенного вида.
Рис.1.3. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста
В автоматических уравновешенных мостах применяется измерительная схема четырехплечевого моста с реохордом, включенным таким образом, что его движок может изменять положение точки подключения одной из вершин измеряемой диагонали по отношению к двум прилежащим плечам моста. На рис. 1.3 приведена принципиальная схема автоматического уравновешенного моста в комплекте с ТС Rt, включенного по трехпроводной схеме.
Условие равновесия мостовой (измерительной) схемы равенство произведений противолежащих плеч:
RAC * RBD = RAD * RBC
При этом в измерительной диагонали АВ разность потенциалов равна нулю.
В основу работы схемы положен нулевой метод измерения сопротивления.
Мостовая схема состоит из плеч R4, R6, R7 и четвертого плеча, в которое включены R10 и калибровочное сопротивление реохорда R1. Такое последовательное включение R10 и R1 в одном плече наиболее обеспечивает линейность шкалы. К точкам CD (силовой диагонали) подводится напряжение.
При изменении температуры контролируемого объекта ТС R10 изменяется и равновесие измерительной схемы нарушается. В диагонали AB появляется напряжение разбаланса, которое поступает на вход усилителя, где усиливается до значения, достаточное для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Вал двигателя с помощью шкива и тросика кинематически связан с кареткой, на которой закреплены подвижный контакт реохорда и указатель (стрелка) прибора. Ротор РД будет вращаться до тех пор, пока есть напряжение разбаланса. При достижении равновесия схемы ротор РД останавливается, а подвижный контакт реохорда и стрелка прибора занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению R10 .
Каждому новому равновесию мостовой схемы соответствует равенство
[R10 + R9 + R8 + (1- m)Rпр]*R6 =(R7 + R8)*(R4 + mRпр) (1)
где Rпр = (Rэкв * R3) / (Rэкв+ R3 )
Rэкв = (R1 * R2) / (R1+ R2 )
m = R^пр / Rпр
здесь R^пр часть приведенного сопротивления правее подвижного контакта реохорда.
Решая уравнение (1) относительно Rt , получим
R10 = [Rпр ( mR7 + mR6 R6) + R7 R4 R8 R6] / R6 + [(R4 R6 + mRпр) R8] / R6
где R10 = 2.5 Ом при t20 = 200 C
Для эксплуатационных условий это равенство приводится к виду
Rпр ( mR7 + mR6 R6)+ R7 R4 R8 R6 (R4 R6 + mRпр)R9* [(1+t)/(1+t20)]
R10 = ---------------------------------------------+ ---------------------------------------------
R6 R6
где Rл = 2.5 Ом при t20 = 200 C;
t - средняя температура воздуха вдоль проводов;
Все сопротивления измерительной схемы (R7 , R6 , R4 , R8 , R3 , Rпр) представляют собой катушки с бифилярной обмоткой из манганина. Реохорд R10 выполнен в виде калибровочного сопротивления.
На точность показаний влияет подгонка сопротивлений проводов R9 , соединяющих термометр сопротивления R10 c автоматическим равновесным мос том. Если сопротивление каждого провода меньше 2.5 Ом (градуировочное), то в соединительную линию последовательно включается добавочное сопротивление Rу (манганиновое), дополняющее сопротивление каждого провода до 2.5 Ом. Следует помнить, что в обозначении R9 входит два сопротивления: Rсл и Rу , т. е.
Rл = Rсл + Rу = 2.5 Ом
Конструктивное исполнение основано на блочно-модульном принципе построения. Блоки расположены на выдвижных или поворотных кронштейнах, что обеспечивает свободный доступ к блокам, возможность обслкживания, монтажа и демонтажа любого элемента при переналадке или ремонте. Блоки и модули электрически соединяются между собой штепсельными разъемами. Такая конструкция обеспечивает высокую ремонтопригодность.
Для намотки спиралей реохордов используется проволока из палладий- вольфрамового сплава ПдВ-20, что повышает коррозийную стойкость спиралей, стабильность сопротивлений, стойкость к износу. Однотипные реохорды взаимозаменяемы.
2. Выполнение работы
2.1. Цель работы.
Изучение принципа действия и конструкции термопреобразователей сопротивления и вторичных приборов, работающих в комплекте с термопреобразователями сопротивления. Ознакомление с методикой поверки вторичных приборов, работающих в комплекте с термопреобразователями сопротивления. Закрепление знаний по разделу «Измерение температуры при помощи термометров сопротивления» теоретического курса «Автоматизация производственных процессов».
2.2. .Предварительная подготовка.
Изучить теоретический материал, относящийся к работе.
Подготовить приборы и оборудование для проведения работы:
магазин сопротивлений МСР-63;
вторичный прибор, работающий в комплекте с термопреобразователями сопротивления.
Стенд предназначен для проведения лабораторных работ с термометрами сопротивления в комплекте с логометром Ш69000 и автоматическим мостом КСМ-3.
На стенде 2-1 установлены автоматический мост КСМ-3, тумблер включения питания стенда «Питание стенда.», тумблер «КСМ/Ш69000», клеммы «1/2».
Рис. 2.1 Подключение магазина сопротивлений МСР-63 к логометру Ш69000
Рис. 2.2 Подключение магазина сопротивлений МСР-63 к автоматическому мосту КСМ-3
2.4 Порядок выполнения работы.
2.5. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
В отчете по лабораторной работе должно быть следующее;
2.6 Контрольные вопросы:
Приложение 1
Градуировочная таблица (ГОСТ 6651-59)
Для платиновых ТСП гр.22 (Ro=100,00 Ом)
Градуировочная таблица (ГОСТ 6651-59)
Для платиновых ТСП гр,21 (R0,=46,00 Ом)
Градуировочнач таблица (ГОСТ 6651 -59)
Дня медных ТСП гр.50М (Ro=50,00 Ом)
Приложение 2
Протокол поверки прибора
Тип прибора №_________
Пределы измерения от____до___градуировка класс точности______
Образцовый прибор тип ____ № класс точности______
Поверяемые отметки шкалы |
Табличные значения сопротивления |
Показания образцового прибора |
Абсолютная погрешность прибора |
Относительная приведенная погрешность прибора |
Вариация |
||||||
прямой ход |
обратный ход |
прямой ход |
обратный ход |
прямой ход |
обратный ход |
||||||
0С |
ом |
ом |
0С |
ом |
0С |
0С |
0С |
% |
% |
ом |
0С |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
0 |
|||||||||||
50 |
|||||||||||
100 |
|||||||||||
150 |
|||||||||||
200 |
Наибольшая относительная приведенная погрешность_____________________
Прибор к эксплуатации годен(не годен)___________________
Подпись _________________________