Осипова В.А., Астахова Т.В. Автоматизация металлургических производств. Лабораторный практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-61-

Рис. 4.4 Общий вид стенда

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-62-

З

а

д

а

н

и

е

н

а

в

ы

п

о

л

н

е

н

и

е

л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

о

й

р

а

б

о

т

ы

1. При температурах, заданных преподавателем, снять показания пиро-

метра и занести в табл. 4.1

.

Таблица 4.1

Экспериментальные данные

Заданная температура

Пирометр полного излучения

Т

р

,

о

С Т,

о

С

∆

δ

γ

…..

2. Вычислить истинные значения температуры по формуле (4.1

) и сум-

марный коэффициент черноты объекта ε = 0,68.

3. Сравнить температуры, измеренные с помощью пирометра и термо-

электрического преобразователя, вычислить абсолютную, относительную и

приведенную погрешности измерений. Результаты вычислений занести в

табл. 4.1

.

3.1. Абсолютная погрешность ∆ – это разность между измеренным и

истинным значением измеряемой величины.

3.2. Относительная погрешность определяется по формуле

100 %

x

∆

δ=± ⋅

,

где х – измеренное значение величины.

3.3. Приведенная погрешность определяется по формуле

100%

n

x

∆

γ=± ⋅

,

где х

п

– нормирующее значение, в качестве которого принимают верхний

предел шкалы или диапазон измерений прибора.

П

о

р

я

д

о

к

в

ы

п

о

л

н

е

н

и

я

л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

о

й

р

а

б

о

т

ы

1. К работе допускаются студенты, изучившие техническое описание

установки и инструкцию по технике безопасности в лаборатории, а также

прошедшие инструктаж на рабочем месте.

2. Включить источник нагревания печи и питания стенда.

3. Следить за температурой в печи с помощью эталонного прибора –

термоэлектрического преобразователя типа ТХА и вторичного прибора КСП.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-63-

Т

р

е

б

о

в

а

н

и

я

к

о

т

ч

е

т

у

п

о

л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

о

й

р

а

б

о

т

е

По результатам исследований лабораторной работы оформляется отчет

в соответствии со стандартом организации СТО 4.2

–07–2008 «Система ме-

неджмента качества. Общие требования к построению, изложению

и оформлению документов учебной и научной деятельности» и методиче-

скими указаниями к выполняемой лабораторной работе.

Отчет состоит из титульного листа и информационной части, где отра-

жается задание согласно варианту работы.

Краткое описание теоретического материала. Протокол работы в форме

табл. 4.1

. Обработка результатов измерений. Выводы по результатам иссле-

дований.

К

о

н

т

р

о

л

ь

н

ы

е

в

о

п

р

о

с

ы

1. На чем основан бесконтактный метод измерения температуры?

2. Какова классификация пирометров по принципу действия?

3. Каково устройство и принцип действия квазимонохроматического пи-

рометра?

4. Каков принцип действия и устройство пирометра полного излуче-

ния?

5. Каков принцип действия пирометра спектрального отношения?

6. Каковы достоинства и недостатки бесконтактного метода измерения

температуры?



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-64-

Л

А

Б

О

Р

А

Т

О

Р

Н

А

Я

Р

А

Б

О

Т

А

5

А

В

Т

О

М

А

Т

И

Ч

Е

С

К

И

Й

П

О

Т

Е

Н

Ц

И

О

М

Е

Т

Р

В

С

И

С

Т

Е

М

Е

Д

В

У

Х

П

О

З

И

Ц

И

О

Н

О

Г

О

Р

Е

Г

У

Л

И

Р

О

В

А

Н

И

Я

Т

Е

М

П

Е

Р

А

Т

У

Р

Ы

Цель работы: изучение и практическое знакомство с устройством и

принципом действия автоматического потенциометра; изучение устройства и

принципа действия автоматической системы двухпозиционного регулирова-

ния температуры.

Продолжительность работы 2 часа.

З

а

д

а

ч

и

л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

о

й

р

а

б

о

т

ы

Рассмотреть принцип действия и построить переходной процесс авто-

матической системы двухпозиционного регулирования температуры в печи;

научиться пользоваться контрольно-измерительными приборами и средства-

ми автоматизации, проводить расчеты, делать выводы по полученным ре-

зультатам и грамотно, профессионально представлять отчеты о проделанной

работе.

К

р

а

т

к

и

е

т

е

о

р

е

т

и

ч

е

с

к

и

е

с

в

е

д

е

н

и

я

Измерением называют экспериментальное определение численного

соотношения между измеряемой физической величиной и значением, при-

нятым за эталон.

Измерения в зависимости от способа обработки экспериментальных

данных для нахождения результата делятся на прямые и косвенные.

Прямое измерение – это измерение, при котором искомое значение ве-

личины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенное измерение – это измерение, при котором искомое значение

величины находят на основании известной зависимости между этой величи-

ной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Вследствие несовершенства методов измерения и самих измеритель-

ных приборов результаты измерения, как бы тщательно они не выполнялись,

не свободны от искажений, называемых ошибками или погрешностями. Для

определения степени достоверности полученного результата истинному зна-

чению измеряемой величины необходимо знать погрешность, полученную

при данном измерении прибором [6, с. 9

].

Различают несколько видов погрешностей:

1. Абсолютная погрешность прибора, которая характеризуется разно-

стью между показанием прибора и его истинным значением. Поскольку по-

ЛАБ. РАБ. 5. АВТОМ. ПОТЕНЦИОМЕТР В СИСТЕМЕ ДВУХПОЗИЦ-НОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМП-ТУРЫ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-65-

следнее установить нельзя, то в измерительной технике используют так назы-

ваемое действительное значение, полученное посредством образцового прибо-

ра.

2. Относительная погрешность измерения, т.е. отношение абсолютной

погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, вы-

раженное в долях или процентах:

Δ = ∆/ X

и

.

100 % .

При определении абсолютной и относительной погрешности вместо

истинного значения физической величины Х

и

реально может быть использо-

вано ее действительное значение Х

д

, которое определяют с помощью образ-

цового средства измерений.

3. Приведенная погрешность средства измерений, определяемая отно-

шением абсолютной погрешности к нормирующему значению х

N

. Приведен-

ную погрешность выражают в процентах:

N

x

∆

γ=

⋅100 %.

Эта погрешность положена в основу класса точности прибора.

Промышленные приборы в большинстве случаев выпускаются с клас-

сами точности 0,5; 1; 1,5. Например, прибор класса точности 1,5 имеет мак-

симальную допустимую основную (при нормальных условиях) приведенную

относительную погрешность ±1,5 % от диапазона шкалы.

Класс точности обычно указывается на его шкале [6, с. 17

].

Наряду с величиной погрешности работа измерительного прибора ха-

рактеризуется его вариацией и чувствительностью.

Вариацией называется наибольшая разность, полученная эксперимен-

тально, между показаниями измерительного прибора, соответствующими од-

ному и тому же действительному значению измеряемой величины при оди-

наковых условиях измерения. Вариация технических приборов при их повер-

ке определяется как наибольшая разность показаний прибора, полученная

при прямом и обратном ходе, для одного и того же действительного значения

величины.

Чувствительностью измерительного прибора называется отношение

линейного или углового перемещения указателя прибора

∆L к приращению

измеряемой величины

∆А, вызвавшему это перемещение, т.е.

A

L

S

∆

=

.

Порог чувствительности – это то наименьшее изменение значения из-

меряемой величины, которое способно вызвать минимальное изменение в

показаниях измерительного прибора [7, с. 11

].

ЛАБ. РАБ. 5. АВТОМ. ПОТЕНЦИОМЕТР В СИСТЕМЕ ДВУХПОЗИЦ-НОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМП-ТУРЫ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-66-

И

з

м

е

р

е

н

и

е

т

е

р

м

о

э

л

е

к

т

р

о

д

в

и

ж

у

щ

е

й

с

и

л

ы

п

о

т

е

н

ц

и

о

м

е

т

р

и

ч

е

с

к

и

м

е

т

о

д

о

м

В настоящее время потенциометры являются наиболее распространен-

ными вторичными приборами, работающими в комплекте с термоэлектриче-

скими преобразователями (ТЭП). Потенциометры проводят измерения ком-

пенсационным потенциометрическим методом, т.е. уравновешиванием изме-

ряемой термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) известной разностью по-

тенциалов от вспомогательного источника.

Л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

ы

й

п

е

р

е

н

о

с

н

о

й

п

о

т

е

н

ц

и

о

м

е

т

р

Лабораторный переносной потенциометр ПП, схема которого приведе-

на на рис. 5.1

, предназначен для измерения ЭДС и напряжений в цепях посто-

янного тока. Электрическая схема потенциометра образована тремя цепями.

Первая цепь батареи состоит из источника постоянного тока (сухой элемент

Е

H

), сопротивления реостата R

Т

для установки рабочего тока, секционного ре-

зистора R

C

(шесть одинаковых по величине резисторов), сопротивлений рео-

хорда R

р

и резистора R

НЭ

.

Вторая – цепь ТЭП состоит из источника термоЭДС Е(t, t

0

) части сек-

ционного резистора, сопротивления реохорда и нуль-прибора (НП).

Третья – цепь нормального элемента служит для установки рабочего

тока в первой цепи, т.е. приведения тока к стандартной величине. Эта цепь

состоит из нормального элемента Вестона Е

НЭ

, ЭДС которого равна 1,0183 В,

и остается постоянной при кратковременной нагрузке, и резистора R

1

.

Переключатель SA имеет три положения: в среднем контакты разомк-

нуты. При установке рабочего тока переключатель переводится в положение

К, при этом батареи включаются в цепь нормального элемента. Компенсация

ЭДС нормального элемента происходит на резисторе R

НЭ

за счет рабочего

тока, т.е. iR

НЭ

= Е

НЭ

. Стрелка нуль-прибора при этом устанавливается на нуль

с помощью реостата R

T

. Для изменения термоЭДС переключатель SA перево-

дится в положение И, а в цепь источника тока включается ТЭП. Движки сек-

ционного резистора R

C

и реохорда R

P

перемещают до тех пор, пока термо-

ЭДС ТЭП полностью не компенсируется равной и противоположной направ-

ленной разность потенциалов, создаваемой током батареи на участке ab.

В таком положении стрелка нуль-прибора устанавливается на нуль, а

отсчет производится по сумме напряжений на секционном резисторе R

C

и ре-

охорде R

р

в мВ. На секционном резисторе можно создать разность потенциа-

лов 60 мВ, на реохорде – 11 мВ.

Таким образом, максимальная термоЭДС, измеряемая потенциометром,

равна 71 мВ.

Из рассмотрения схемы потенциометра следует, что назначение нор-

мального элемента состоит в необходимости контроля и установки опреде-

ленной величины рабочего тока в компенсационной цепи, так как ЭДС ис-

ЛАБ. РАБ. 5. АВТОМ. ПОТЕНЦИОМЕТР В СИСТЕМЕ ДВУХПОЗИЦ-НОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМП-ТУРЫ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-67-

точника питания Е

а

(сухого элемента или аккумулятора) со временем умень-

шается. Нормальные элементы характеризуются строго постоянной ЭДС, не

изменяющейся в течение длительного времени. Изменение температуры ок-

ружающей среды в пределах 10–40

о

С также заметно не влияет на величину

ЭДС нормального элемента.

Рис. 5.1. Принципиальная схема ручного потенциометра

Достоинством потенциометрического метода измерения термоЭДС яв-

ляется независимость результатов измерения от сопротивления внешней це-

пи, так как в момент отсчета показаний ток в цепи термопары равен нулю.

Поэтому класс точности потенциометров высок: лабораторных – от 0,2 до

0,0005, технических (автоматических) – 0,25; 0,5 и 1,0 [7, с. 42

].

У

с

т

р

о

й

с

т

в

о

и

п

р

и

н

ц

и

п

д

е

й

с

т

в

и

я

а

в

т

о

м

а

т

и

ч

е

с

к

о

г

о

п

о

т

е

н

ц

и

о

м

е

т

р

а

Автоматические потенциометры исключают участие человека в прове-

дении операции компенсации входного сигнала и поэтому нашли широкое

распространение для измерения, регистрации, сигнализации и автоматиче-

ского регулирования температуры в металлургических агрегатах (рис. 5.2

).

Измерение производится методом компенсации путем сравнения неиз-

вестной термоЭДС E

X

, создаваемой термоэлектрическим преобразователем с

падением напряжения на калиброванном реохорде U

К

.

НП

R1

SA

E

НЭ

RНЭ

RP

R

C

E

Н

RТ

SA

И

К

E(tt

0)

-

a в

ЛАБ. РАБ. 5. АВТОМ. ПОТЕНЦИОМЕТР В СИСТЕМЕ ДВУХПОЗИЦ-НОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМП-ТУРЫ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-68-

Рис. 5.2. Схема электрическая функциональная автоматического

потенциометра: 1 – реохорд; 2 – усилитель; 3 – электродвигатель; 4 –

редуктор; 5 – источник питания

Компенсационная цепь потенциометра состоит из реохорда с ползун-

ком, усилителя, электродвигателя, источника питания. Электродвигатель че-

рез редуктор связан с ползунком, указателем и пером (последнее на схеме не

показано). Действие компенсационной цепи сводится к автоматическому пе-

ремещению ползунка по реохорду в сторону уменьшения напряжения рассо-

гласования (разности термоЭДС и падения напряжения на реохорде U

К

) до

тех пор, пока это напряжение не станет меньше зоны нечувствительности

усилителя. Таким образом, положение ползунка и связанных с ним указателя

и пера прибора однозначно определяет величину термоЭДС и, следователь-

но, величину измеряемой температуры [6, с. 119

].

Х

а

р

а

к

т

е

р

и

с

т

и

к

а

с

и

с

т

е

м

ы

р

е

г

у

л

и

р

о

в

а

н

и

я

т

е

м

п

е

р

а

т

у

р

ы

Объект регулирования и автоматический регулятор составляют вместе

систему автоматического регулирования (рис. 5.3

).

- +

5

1

∇

U=E

X-U

K

U

K

E

X

2

3

4

ЛАБ. РАБ. 5. АВТОМ. ПОТЕНЦИОМЕТР В СИСТЕМЕ ДВУХПОЗИЦ-НОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМП-ТУРЫ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-69-

Рис. 5.3. Блок-схема системы регулирования температуры в электриче-

ской печи: ОР – объект регулирования; ЧЭ – чувствительный элемент

(ТЭП); ИП – измерительный прибор; МП – магнитный пускатель

Объектом регулирования (ОР) в настоящей работе служит электриче-

ская печь. Нагрев печи осуществляется при помощи нагревательных прибо-

ров (сопротивления), питаемых переменным током.

Регулируемым параметром (РП) в объекте является температура воз-

духа в рабочем пространстве печи.

Чувствительным элементом (ЧЭ) является термоэлектрический преоб-

разователь (ТХА), горячий спай которой помещен в рабочем пространстве

печи. Максимальная температура термоэлектрического преобразователя при

длительном применении составляет 900

о

С.

Измерительным прибором (ИП) служит автоматический потенциометр.

Р

а

с

ч

е

т

а

м

п

л

и

т

у

д

ы

и

ч

а

с

т

о

т

ы

к

о

л

е

б

а

н

и

й

т

е

м

п

е

р

а

т

у

р

ы

в

с

и

с

т

е

м

е

р

е

г

у

л

и

р

о

в

а

н

и

я

т

е

м

п

е

р

а

т

у

р

ы

Рассматриваемая система автоматического регулирования является ав-

токолебательной. Это означает, что при работе системы в ней возникает ус-

тойчивый автоколебательный процесс изменения температуры объекта. Этот

процесс представляет собой устойчивый режим работы данной системы.

Появление автоколебаний в системе вызвано наличием релейных эле-

ментов в регуляторе. Дополнительное отклонение регулируемого параметра

от заданного значения обусловливается также наличием инерции объекта ре-

гулирования (печи).

Автоколебательный процесс характеризуется амплитудой и частотой

колебаний. Последние подбираются так, чтобы они были приемлемы для

данного технологического процесса, если автоколебания в последнем вообще

допустимы.

OP

ЧЭ

ИП

МП

ЛАБ. РАБ. 5. АВТОМ. ПОТЕНЦИОМЕТР В СИСТЕМЕ ДВУХПОЗИЦ-НОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМП-ТУРЫ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-70-

Для определения амплитуды колебаний температуры в печи необходимо

найти разность между ее максимальным и минимальным значением (рис. 5.4

)

[1, с. 307

].

Рис. 5.4. Автоколебательный процесс изменения температуры в печи: Т –

период колебания; А – амплитуда колебания; t

зад

– заданное значение тем-

пературы

Тогда

max min

2

tt

A

−

=

, (5.1)

где А – амплитуда колебаний.

Частота колебаний находится по их периоду:

1

T

ν=

, (5.2)

где ν – частота колебаний, Гц; Т – период колебаний, с.

О

п

и

с

а

н

и

е

л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

о

й

у

с

т

а

н

о

в

к

и

з

м

е

р

и

т

е

л

ь

н

о

г

о

б

о

р

у

д

о

в

а

н

и

я

Общий вид стенда системы автоматического регулирования темпера-

туры изображен на рис. 5.5

:

1 – электропечь;

2 – сигнальное табло;

3 – регулирующий потенциометр;

4 – выключатель электропитания печи SA1;

5 – выключатель питания стенда SA2;

6 – вольтметр;

7 – амперметр.

Т

t

з

500

0

Т,

С

t,c

A

Осипова В.А., Астахова Т.В. Автоматизация металлургических производств. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.