Федоров С.Н. Основы автоматизациии производственных процессов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Для измерения термоЭДС ТП в ее цепь включают измерительный прибор

по одной из двух схем (рисунок 2.3). В качестве измерительных приборов ис-

пользуются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры

(измерительные компенсаторы).

Рисунок 2.3 – Схемы включения измерительного прибора в цепь ТП

Для подключения измерительных приборов к ТП используют

специальные удлиняющие термоэлектродные провода. Эти провода должны

быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары. Для ТП из

неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются из тех же

материалов, что и термоэлектроды, а для ТП из благородных металлов

удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между

собой в диапазоне изменения температуры окружающей среды примерно ту же

термоЭДС, что и ТП, для которой они предназначены. Посредством

удлиняющих проводов производится как бы наращивание термоэлектродов

термометра, позволяющее отнести свободные концы от места его установки в

более благоприятные условия.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических

термометров получили материалы: платина (Pt), платинородий (90 % Pt + 10 %

Rh), хромель (10% Cr + 90 % Ni), алюмель (95 % Ni + 5 % Al) и копель (56 % Cu

+ 44 % Ni). Для измерений в лабораторных установках находят также

применение медь, железо, константан и др.

К материалам термоэлектродов термопар предъявляются следующие

требования:

механическая и химическая устойчивость при высоких температурах;

хорошие электропроводность и теплопроводность;

постоянство термоэлектрических свойств;

однозначная зависимость термоЭДС от температуры.

Наиболее распространенные типы термопар приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Основные характеристики некоторых термопар

Тип

термопары

Материал

термоэлектродов

Диапазон измеряемых

температур,

Чувствительнос

ть, мкВ/град

Область

использования

ТПП Платинородий - платина 0 … 1100 6 Образцовая

ТХА Хромель – алюмель -50 … +800 41 Промышленные

измерения

ТХК Хромель – копель -50 … +650 65 То же

На рисунке 2.4,а показана конструкция промышленной термопары. В

металлической трубке 1 расположены термоэлектроды 2 с изоляционными

цилиндрами 3. Рабочий спай 4 термопары обычно приваривается к дну трубки.

К термоэлектродам в соединительном корпусе 5 через разъем 6

подсоединяются удлинительные провода. Термопара вводится в объект

измерения и крепится на нем с помощью штуцера 7.

а) б)

Рисунок 2.4 – Конструкция промышленных термопары (а) и

металлического терморезистора (б)

Длина погружаемой части в среду, температуру которой измеряют,

выполняется различной для каждого конкретного типа термоэлектрического

термометра.

Автоматический потенциометр. Это прибор, посредством которого

производится измерение термоЭДС. Его измерительная схема представлена на

рисунке 2.5,а. Она представляет собой четырехплечий мост постоянного тока, в

измерительную диагональ которого включается термопара. Процесс измерения

основан на компенсации термоЭДС Е

компенсирующим напряжением U

возникающим на измерительной диагонали мостовой схемы. Схема работает в

равновесном режиме, т.е. в любой момент времени Е

= U

, а каждому новому

значению температуры горячего конца t

соответствует новое положение λ

движка реохорда. Сопротивление R

служит для подгонки стрелки

потенциометра на начальную отметку шкалы, когда значение термоЭДС

соответствует начальной температуре.

Рисунок 2.5 – Автоматический потенциометр: а – измерительная схема;

б – стандартный реохорд; в – эквивалентный реохорд

Уравнение компенсации в общем случае имеет вид (сопротивления R

выполняются равными)



эр

)-I

=Е

. (2.4)

При изменении измеряемой температуры нарушается равенство (2.4) и

на входе усилителя У появляется сигнал разбаланса, который приводит в

действие реверсивный двигатель РД, перемещающий движок реохорда R

Таким образом, компенсация в этом случае производится за счет изменения

относительного положения движка реохорда λ.

При изменении температуры свободных концов поправка вводится

автоматически с помощью компенсационного терморезистора R

. Для этого

изменение термоЭДС из-за изменения температуры окружающей среды



численно должно быть равно величине I



Сопротивление реохорда представляет собой параллельное соединение

трех резисторов (рисунок 2.5, б): рабочего реохорда R

, сопротивления шунта

и резистора, определяющего диапазон измерения R

. Параллельно

соединенные резисторы R

и R

образуют так называемый стандартный

реохорд (его сопротивление обычно составляет 90 или 130 Ом), а все три

резистора могут быть обозначены R

эр

(рисунок 2.5, в) – сопротивление

эквивалентного реохорда.

а)

РД

- +



ср

б)

эр

ср

в)

эр

Термометры сопротивления. Принцип действия термометров

сопротивления (ТС) основан на свойстве металлов и полупроводников

изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры.

Качество ТС характеризуется его чувствительностью к изменению

температуры и определяется температурным коэффициентом сопротивления

(ТКС)



, представляющим собой относительное изменение сопротивления R/

R на единицу приращения температуры t:







. (2.5)

Металлы имеют положительный ТКС, а полупроводники –

отрицательный. Это означает, что у металлов при увеличении температуры

сопротивление увеличивается, а у полупроводников – уменьшается (рисунок

2.6). При этом по модулю ТКС полупроводников на порядок выше, чем у

металлов.

ТСМ

ТСП

КМТ

Рисунок 2.6 – Статические характеристики термометров сопротивления

Металлические ТС выполняются преимущественно из меди или из

платины. Это связано с тем, что материалы ТС должны иметь большой и

постоянный температурный коэффициент сопротивления, большое удельное

сопротивление; их физические и химические свойства должны быть устойчивы

при высоких температурах. Медь и платина наиболее полно соответствуют

этим требованиям.

Медь – один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом

виде. Медный ТС (ТСМ) имеет линейную зависимость сопротивления от

температуры:

 

tRR



 1

, (2.7)

где R

и R

– сопротивления ТСМ при температуре t и при температуре 0

С;



– температурный коэффициент сопротивления ТСМ.

Однако при температурах более 200 C медь активно окисляется и

поэтому не используется.

Платина является наилучшим материалом для ТС. Недостатком

платиновых ТС (ТСП) является нелинейная зависимость сопротивления от

температуры, которая для области положительных температур может быть

записана в виде

 

1 ttRR

TTt





, (2.8)

где R

и R

– сопротивления ТСП при температуре t и при температуре 0

С;





– температурные коэффициенты сопротивления ТСП.

Кроме того, платина – очень дорогой металл.

Существуют различные типы медных и платиновых ТС, отличающиеся

градуировкой. Обозначение ТС состоит из числа, соответствующего

сопротивлению ТС в омах при 0 ºС, и буквы, соответствующей материалу ТС.

Например, тип ТС 50П означает, что ТС платиновый, а сопротивление ТС при 0

ºС равно 50 Ом.

Диапазон измерений металлических ТС составляет от –200 до 650 °С.

Конструкция промышленных проводниковых ТС показана на рисунке

2.4,б. ТС по внешнему виду и размерам аналогичны термопарам.

В металлической трубке 1 расположена тонкая проволока 2 из платины

или меди, которая наматывается на каркас 3 из керамики, стекла или

пластмассы. Проволока, которая является ЧЭ термометра, припаивается к

выводным проводам, которые через изоляционные цилиндры 4 подводятся к

разъему 5 в соединительном корпусе 6. ТС устанавливается на объекте

измерения с помощью штуцера 7.

Полупроводниковые ТС называются термисторами. Они

изготавливаются из оксидов металлов – марганца, кобальта и др. Наиболее

часто используются кобальто-марганцевый термистор (КМТ) и медно-

марганцевый термистор (ММТ), имеющие диапазоны измерения от –60 до

120°С и –60 до 160С соответственно. Термисторы также имеют нелинейную

зависимость сопротивления от температуры (см. рисунок 2.6):

eRR







. (2.9)

Конструктивно термисторы представляют собой миниатюрные

конструкции дисковой, шариковой и других форм с металлическими выводами

(рисунок 2.7). Для защиты от влаги их покрывают слоем лака или стекла.

Рисунок 2.7 – Внешний вид термисторов

Достоинства термисторов – высокая чувствительность, малые габариты.

Основной недостаток всех ТС - большая инерционность (до 10 мин.).

Автоматические мосты. Для измерения электрического сопротивления

ТС чаще всего используются измерительные автоматические мосты с

трехпроводной линией связи (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 – Автоматический мост с трехпроводной линией связи

Такой мост представляет собой следящую систему. Элементы моста

рассчитываются таким образом, чтобы при начальном значении сопротивления

ТС движок реохорда находился в одном из крайних положений. Поскольку

мост находится в равновесии, напряжение на измерительной диагонали

отсутствует. При изменении измеряемой температуры и сопротивления ТС это

равновесие нарушается, на входе усилителя У появляется напряжение

небаланса, и реверсивный двигатель РД перемещает движок реохорда до тех

пор, пока мост не вернется в равновесное состояние. Таким образом,

координата положения движка λ в каждый момент времени соответствует

текущему значению температуры. Уравнение равновесия моста имеет вид

+ λ*R

) * (R

+ R

Л3

) = [(1 – λ)*R

+ R

Л1

] * R

. (2.10)

Лабораторные работы

№ 201

Изучение термопары и ее свойств

Цель работы. Изучение принципа действия термопары и получение

практических навыков по ее применению.

Описание лабораторной установки. Лабораторная установка состоит из

следующих блоков:

- стенда, на котором размещены нагревательный элемент, поверяемая

термопара типа ТХК, блок ввода аналогового сигнала от термопары (ИПМ);

Л3

Л2

Л1

РД

- персонального компьютера с установленным программным

обеспечением;

- многопредельного мультиметра.

Порядок выполнения работы:

- изучить теоретический материал;

- провести поверку термоэлектрического термометра типа ТХК;

- обработать результаты экспериментов и определить класс точности

термометра;

- ответить на контрольные вопросы.

Методические указания к выполнению работы.

Перед запуском программы настройки выполните следующие действия в

указанном порядке:

- подготовьте к работе ЭВМ в соответствии с ее руководством по

эксплуатации;

- подключите один или несколько приборов к последовательному порту

ЭВМ (COM1,COM2), руководствуясь соответствующими документами,

входящими в комплект поставки приборов.

- включите питание приборов и ЭВМ. Порядок включения питания

значения не имеет.

ВНИМАНИЕ!!!

БЕЗ ПОДКЛЮЧЕННОЙ ТЕРМОПАРЫ

В НАГРЕВАТЕЛЬНОМ

ЭЛЕМЕНТЕ ПИТАНИЕ НЕ ВКЛЮЧАТЬ

Запустите программу настройки прибора с помощью ярлыка на рабочем

ipm0399m3.exe

столе или в меню кнопки ”ПУСК”.

В появившемся окне выберите новый проект или откройте ранее

сохраненный (рисунок 2.9, действия А, В).

Рисунок 2.9 – Исходное окно лабораторной работы

В окне настроек прибора выставьте необходимые значения для работы

(рисунки 2.10-2.12) в соответствии с таблицей 2.2.

Таблица 2.2 – Параметры настройки

Номер настройки Название настройки

1 Тип датчика (ХА, ХК, ТС…)

2 Тип линии связи датчика с прибором

3 Нижний порог шкалы

4 Верхний порог шкалы

5,6,7 Порог срабатывания реле, уставка (по умолчанию равна нулю)

8 Считывание ранее установленных настроек прибора

9 Запись установленных настроек в прибор

10,11,12 Связь 1,2,3 реле с одной из уставок (в нашем случае это 3-е реле)

13 Переход к панели измерения параметров

14 Тип работы реле (Н.О. = 0 или Н.З. = 1)

15 Запуск измерения прибором параметра (температуры)

16 Окно индикации параметра

17 Задание времени измерения параметра

18 3-D вид индикации кривой измеряемого параметра

19 Автоматическое масштабирование графика по оси X и Y

20 Ручной сдвиг графика по оси X и Y

21 Растяжение и сдвиг графика по оси X и Y

22 Таблица изменения параметра (по точкам)

23 Печать текущего проекта

Рисунок 2.10 – Первое окно настройки

Рисунок 2.11 – Второе окно настройки

Рисунок 2.12 – Третье окно настройки

После подготовки программы необходимо:

1) переключить предел измерений мультиметра в положение,

соответствующее минимальному пределу измерений постоянного напряжения

(200 мВ);

2) в настройках измерения установить значение уставки реле равным 70,

и записать в прибор с помощью кнопки (9);

3) переключиться на вкладку «Измерение» и начать измерение с

помощью кнопки «Измерение»;

4) произвести измерения термоЭДС на клеммах подключения термопары

(18,19) для значений, указанных преподавателем. При измерениях произвести

введение поправки на температуру свободных концов термопары;

5) рассчитать основную абсолютную погрешность прибора по формуле:

)t(t,)t(t,

00 ди

EE 

где E

(t,t

) – измеренное значение термоЭДС;

(t,t

) – действительное значение термоЭДС, определяемое по

градуировочной таблице с учетом введения поправки на температуру

свободных концов.

При этом считать, что температура свободных концов равна комнатной

температуре (20 °C);

6) рассчитать основную приведенную погрешность термопары по

формуле:

%100

C)(t,0C)(t,0









нв

