Порядок выполнения работы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

---------------------------------

Воронежская государственная технологическая академия

---------------------------------

Кафедра информационных и управляющих систем

Методические указания для выполнения лабораторной работы

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ

ВОРОНЕЖ

Цель работы: ознакомиться с принципом действия, устройством, особенностями наладки, монтажа и эксплуатации современных средств автоматизации производственных процессов.

 

М е т о д и ч е с к и е у к а з а н и я

 

Автоматизация производственных процессов пищевой промышленности неразрывно связана с измерением различных физических величин и комплексных показателей качества продукции. Для этих целей используются различные первичные преобразователи, измерительные приборы и устройства, правильная эксплуатация которых основана на некоторых положениях измерительной техники и метрологии [3].

Измерением называется нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств.

При измерении следует четко разграничивать понятия: истинное и действительное значение физической величины, текущее значение или результаты измерений.

Истинным значением физических величин называются значения, идеальным образом отражающие свойства данного объекта как вколичественном, так и в качественном отношениях. Они не зависят от средств нашего познания и являются той абсолютной истиной, к которой мы стремимся, пытаясь выразить их в виде числовых значений. Истинное значение получить невозможно.

Действительным значением физической величины называется значение, найденное экспериментально по образцовому прибору и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели оно может быть использовано вместо него. Текущими значениями физической величины называются результаты измерений, полученные с определенным интервалом времени.

Измерительный прибор - средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной и доступной для восприятия наблюдателем. Измерительные приборы различают аналоговые и цифровые, показывающие и регистрирующие, интегрирующие и другие.

Шкала измерительного прибора представляет собой совокупность отметок и чисел, нанесённых на циферблат отсчётного устройства по линии или окружности и изображающих ряд последовательных значений измеряемой величины.

На шкале прибора указывается измеряемый параметр, класс точ­ности, система прибора, рабочее положение, градуировка и т.д.

Чувствительностью измерительного прибора называется отношение линейного или углового перемещения стрелки прибора к значению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение.

, , (1)

где – чувствительность измерительного прибора; – линейное перемещение стрелки прибора; – угловое перемещение стрелки прибора; – изменение измеряемой величины.

Ценой деления шкалы называется разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Точность измерительного прибора может быть оценена абсолютной, относительной и приведённой относительной погрешностями.

Абсолютной погрешностью измерительного прибора называется алгебраическая разность между показаниями прибора и действительным значением измеряемой величины по показаниям образцового прибора [2]:

, (2)

где и - показания проверяемого и образцового приборов.

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины и может быть как положительной, так и отрицательной.

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к показаниям образцового прибора, выраженное в процентах.

 

. (3)

Приведённой относительной погрешностью (%) называется отношение абсолютной погрешности к диапазону шкалы прибора.

, (4)

где - начало и конец шкалы измерительного прибора.

Вариацией называется наибольшая полученная экспериментально разность между показаниями измерительного прибора, соответствующая одному и тому же действительному значению измеряемой величины, при прямом и обратном ходе в неизменных условиях.

 

, (5)

 

где - показания измерительного прибора при прямом и обратном ходах.

Вариация должна быть меньше допустимой основной погрешности. Различают основную и дополнительную погрешности. Основную погрешность имеют приборы, работающие в нормальных условиях. Если эти условия не соблюдаются (температура, давление, положение в пространстве), появляются дополнительные погрешности.

Класс точности – это обобщённая характеристика средств измерений. Основой для присвоения измерительным приборам того или иного класса точности является их основная погрешность и способ её выражения. В практике чаще всего пользуются приведённой относительной погрешностью и абсолютной, так как они учитывают основные факторы, влияющие на точность измерительного прибора [3].

Под классом точности понимают число, соответствующее абсолютной величине максимально допустимой приведённой основной относительной или абсолютной погрешностей. Это число приводится на шкале прибора или в его технической характеристике. Приборы автоматического контроля выпускаются точностью от 0,2 до 4,0 классов. Для определения погрешности измерительных приборов следует периодически подвергать их поверке. Поверкой называется совокупность действий, производимых для оценки погрешностей приборов. В официальных инструкциях по поверке различных измерительных приборов приводится комплекс мероприятий, цель которых – установить работоспособность прибора и достоверность его показаний.

Для выполнения поверочных операций необходимо располагать измерительными устройствами более высокого класса точности. Класс точности поверяющего прибора должен быть в 3-4 раза выше класса точности поверяемого прибора.

Градуировкой измерительного прибора называется операция, посредством которой делениям шкалы прибора придаются значения, выраженные в единицах измеряемой величины.

Поверка градуировки измерительных приборов заключается в определении его наибольшей приведённой погрешности и сравнении её классом точности. Прибор считается пригодным для эксплуатации, если его основная (наибольшая) приведённая погрешность не превышает его класса точности.

Приведённая погрешность и вариация определяются для всех оцифрованных отметок шкалы при прямом и обратном ходах измерений. Данные поверки заносятся в протокол.

 

 

Лабораторная работа 1

Измерение давления

 

Цель работы: 1) изучить принцип действия и конструкцию манометров и пневматической дистанционной передачи сигналов; 2) выполнить поверку манометра с одновитковой трубчатой пружиной.

 

Принцип действия манометров

 

В деформационных приборах сила, создаваемая измеряемым давлением, уравновешивается силами, возникающими при деформации упругих элементов манометров. Деформации должны быть упругими, т.е. при снятии давления упругий элемент должен занять первоначальное положение, в котором он находился до подачи в прибор давления. Величиной, определяющей измеряемое давление, является величина упругой деформации пружин. В зависимости от типа чувствительного элемента манометры разделяются на приборы с одно- и многовитковой трубчатой пружиной, мембранные и сильфонные.

Манометры выбираются в зависимости от величины и вида измеряемого давления для обеспечения требуемого запаса прочности упругих элементов и увеличения их долговечности [3].

При измерении плавно меняющихся давлений измеряемое давление должно быть не менее ¾ верхнего предела шкалы. При измерении давлений, меняющихся скачкообразно, измеряемое давление должно быть не менее 2/3 части шкалы выбранного манометра.

Приборы с трубчатыми пружинами

 

Наибольшее распространение в практике измерения давлений получили манометры с трубкой Бурдона. Упругим элементом является полая трубка 1 (рис. 1) овального или эллиптического сечения, согнутая по дуге окружности 180-270⁰. Под действием избыточного давления трубка деформируется таким образом, что малая ось её поперечного сечения (а) стремится к увеличению, а большая (в) к уменьшению (т.е. эллипсоидное поперечное сечение трубки стремится к круглой форме сечения), в результате чего одновитковая трубчатая пружина раскручивается и её свободный конец перемещается, а величина центрального угла уменьшается [2].

Один конец трубки укреплён в корпусе 8. Держатель снабжён ниппелем 7 с резьбой для присоединения манометра к объекту с измеряемым давлением и отверстием для соединения внутренней полости трубки с ниппелем. Другой конец трубки закрыт пробкой 2.

Перемещение конца трубки незначительно и составляет для различных конструкций 3-7 мм. Для увеличения разрешающей способности манометров применяют передаточный механизм, который увеличивает масштаб перемещения конца трубки.

Рис. 1. Схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной

 

Секторно-зубчатый передаточный механизм состоит из тяги 4, соединённой с концом трубки посредством шарнира 3, сектора 10 с осью вращения 9. Тяга 4 соединена с сектором 10 шарнирно винтом 6. Зубчатый сектор находится в зацеплении с шестернёй 14. На оси шестерни жестко укреплена стрелка 12. С осью шестерни соединена пружина 13. Другой конец пружины крепится на основание корпуса 8. Пружина предназначена для уменьшения вариации в передаточном механизме. Изменением расстояния от оси 9 до винта 6 зубчатого сектора подгоняют показания прибора в конечной точке шкалы 11.

Манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной отличаются от одновитковых формой рабочего органа, имеющего вид цилиндрической (винтовой) спирали с 6-9 витками, свёрнутой из плоской трубки. Геликоидальную трубку можно рассматривать как ряд одновитковых трубок, соединённых последовательно. Вследствие этого перемещения свободного конца трубки значительно больше, чем у манометра с одновитковой пружиной. Манометры с геликоидальной трубчатой пружиной применяются главным образом как самопишущие.

По назначению пружинные манометры делятся на три группы: образцовые, контрольные и рабочие.

 

Пневматическая дистанционная система передачи сигналов

 

При автоматизации производственных процессов часто необходимо передавать информацию об измеряемом параметре по месту (в аппарате, на трубопроводе) на некоторое расстояние, например, в помещения, где расположены машины централизованного контроля и управления. Для этого надо преобразовывать измеряемый параметр в унифицированный сигнал, удобный как для передачи на расстояние, так и для сочетания с вторичными приборами [2].

Рассмотрим работу пневматической дистанционной передачи сигналов. Назначение такой передачи – преобразовать выходной сигнал первичного прибора в унифицированный пневматический сигнал с изменяющимся давлением от 0,02 до 0,10 МПа (0,2-1,0 кгс/см²) и передать его на некоторое расстояние.

На рис. 2 показана принципиальная схема пневматического преобразователя, выполненного по схеме силовой компенсации. Основным элементом такого преобразователя является устройство «сопло-заслонка», принцип работы которого основан на том, что при изменении расстояния между заслонкой и соплом давление в линии сопла изменяется пропорционально этому расстоянию.

Измерительный параметр воздействует на чувствительный элемент измерительного блока и преобразуется в пропорциональное усилие, под действием которого через рычаг 1 происходит перемещение заслонки 2 относительно сопла 3. Изменение зазора между соплом и заслонкой вызывает изменение давления воздуха, поступающего к соплу через дроссель 7 постоянного сечения. Одновременно изменяются давления в камере «а» усилительного пневмореле, прогиб мембран 8 и 9 и положения впускного 10 и выпускного 11 шариковых клапанов. Это, в свою очередь, вызывает изменение давления в камерах «б» и «в».

 

Рис. 2. Схема пневматического преобразователя

 

Давление в этих камерах будет изменяться до тех пор, пока заслонка 2 под действием сильфона обратной связи 4 не займёт такого положения относительно сопла, когда усилие на сильфоне обратной связи не станет равным усилию измерительного блока. Настройка преобразователя на заданный диапазон измерения производится перемещением сильфона вдоль рычага 5.

Точная установка начального значения выходного сигнала преобразователя (0,02 МПа) производится при помощи пружины 6 (корректор нуля). Предельное расстояние передачи пневматического сигнала 300 м.

 

Описание установок для дистанционного измерения давления и поверки манометров

 

На рис. 3 приведена, схема установки для дистанционного измерения давления. На панели щита управления находятся следующие приборы:

1) амперметр;

2) вольтметр;

3) образцовый манометр;

4) электроконтактный манометр ЭКМ-1;

5) вторичный показывающий и самопишущий прибор ПВ 4.2Э;

6) сильфонный манометр МСС;

7, 8) технический манометр;

9) редуктор давления;

10) две сигнальные лампы;

11) пневматический преобразователь, находящийся на задней стенке панели.

Сжатый воздух от компрессора подается в пневматический преобразователь 11. Постоянство давления Р_пит. = 0,11 МПа (1,1 кгс/см²)поддерживается редуктором 9 и контролируется техническим манометром 7.

С помощью маховика 13 (рис. 4) создается рабочее давление масла от 0 до 1,6 МПа и подается на пневматический преобразователь 11. Давление контролируется манометром 4 (рис. 4).

Пневматический преобразователь 11 преобразует рабочее давление масла в унифицированный пневматический сигнал (от 0,02 до 0,1 МПа) и передает его на образцовый манометр 3, электроконтактный мано­метр 4, вторичный прибор 5, силъфонный манометр 6. Шкалы приборов 5 и 6 отградуированы в процентах, а приборов 3 и 4 - в кгс/см².

На рис. 4 приведена схема установки для поверки одновиткового манометра [3].

Чувствительные элементы манометров с течением времени теряют упругие свойства из-за появления остаточных деформация, изменяется точность показаний приборов, поэтому манометры необходимо периодически поверять.

Манометры поверяют путём сравнения показаний поверяемого прибора с образцовым.

Поверяемый манометр 1 устанавливают в штуцере 2, образцовый 4 – в штуцере 5 (рис. 4). Давление, передаваемое на поверяемый и образцовый приборы, создают прессом. Игольчатые вентили 3, 6, 7 (рис. 4) служат для перекрытия каналов. Пресс заполняется через бачок 9 с вентилем 8 рабочей жидкостью (трансформаторное масло). Необходимое давление создается с помощью винтовых поршневых прессов 10 и 12 маховиками 11 и 13 (рис. 4).

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со схемами установки (рис. 3, 4), принципом действия и конструкцией манометра (рис. 1) и пневматической системой передач (рис. 2).

2. Подать давление питания Р_пит. = 0,11 МПа редуктором 9 (рис. 3).

3. Создать рабочее давление масла маховиком 13, установить стрелку образцового манометра на начальном оцифрованном делении шкалы.

4. Увеличивая давление от 0 до 1,6 МПа (от 0 до 16 кгс/см²) по оцифрованным делениям шкалы образцового манометра, снять показания поверяемого прибора, выходного образцового манометра 3, электроконтактного манометра 4, вторичного прибора 5 и сильфонного манометра 6 (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема лабораторной установки

 

Рис. 4. Схема установки для поверки манометров

 

5. Выдержать поверяемый манометр под давлением на предельной отметке его шкалы в течение 5 мин и провести аналогичные измере­ния на тех же отметках шкалы при обратном ходе, уменьшая давление от 1,6 до 0 МПа.

6. Занести полученные экспериментальные данные в табл. 1 и 2, рассчитать погрешности приборов, а также вариации показаний.

7. Перевести единицы измерения давления (кгс/см²) в единицы СИ - паскаль (Па) - ньютон на метр квадратный Н/м²) - и рассчитать показания приборов для измерения давления 1 кгс/см² = Н/м², или 0,098 МПа.

Для расчета показаний приборов следует знать, что сигнал Р_вых на выходе пневматических приборов обычно связан с контролируемым параметром X соотношением вида:

Р_вых = ,

где - максимальное значение параметра, соответствующее верхнему пределу измерения; - значение параметра в пределах измерения.

 

Пример расчета.

Если манометр 3 (рис. 3) показывает давление 0,6 кгс/см², то это будет соответствовать рабочему давлению масла

Так же рассчитываются показания электроконтактного манометра 4 и заносятся в графы 4 и 6 табл. 2.

7) Произвести расчёт показаний приборов 5 и 6 по формуле в графе 9 и 12 табл. 2 ( - показания приборов 5 и 6).

Т а б л и ц а 1

№ опы- та	Показания манометра	Погрешность	Вариация, кгс/см2
Образцового	Поверяемого	Абсолютная, кгс/см2	Относительная, %	Приведенная, %
кгс/см2	Н/м2	кгс/см2	Н/м2	Прямой ход	Обратный ход	Прямой ход	Обратный ход

Содержание отчета

1. Описание и схема установки дистанционного измерения давления (рис. 3).

2. Описание принципа действия и схемы пружинного манометра (рис. 1)

3. Описание принципа действия и схема пневматической дистанционной передачи (рис. 2).

4. Результаты поверки манометра и дистанционного измерения давления (табл. 1 и 2).

 

 

Т а б л и ц а 2

 

№ опыта

Рвход манометр 4 (рис. 4) кгс/см2

Рвых. манометр 3 (рис. 3)

ЭКМ (4)

ПВ 4. 2Э (5)

МСС-270 (6)

Показание прибора,

Рабочее давление,

Показание прибора,

Рабочее давление,

%

Рабочее давление,

%

Рабочее давление,

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. Назначение и принцип действия деформационного манометра.

2. Назначение и принцип действия дистанционной пневматической передачи сигналов на расстояние.

3. Расскажите о методах поверки манометров?

4. Погрешности измерительных приборов.

Лабораторная работа 2

Измерение температуры

 

Цель работы: ознакомиться с принципом действия и устройством электрического термометра сопротивления; поверить градуировку автоматического электронного моста типа КСМ-4 и снять динамическую характеристику измерительного комплекта.

 

Принцип действия термометра сопротивления

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на изменении электрического сопротивления проводника или полупроводника в зависимости от его температуры.

Электрическое сопротивление проводников и полупроводников представляет собой некоторую функцию его температуры . Вид этой функции зависит от природы материала и определяется экспериментально (путем градуировки термометра сопротивления). При увеличении температуры сопротивление проводников возрастает, а полупроводников - снижается. Измеряя сопротивление нагретого проводника, можно определить температуру среды, где он находится [1]. В промышленных условиях наиболее широко применяются медные и платиновые термометры сопротивления ТСП и ТСМ (табл. 3).

 

 

Рис. 5. Схема уравновешенного моста

 

Т а б л и ц а 3

 

Тип термометра	Градуировка	Номинальное сопротивление при 0 , Ом	Диапазон температур при длительном применении, 0
от	до
ТСП ТСМ ТСП ТСП ТСМ	гр. 100П гр. 23 гр. 21 гр. 50М гр. 100М		-50 -200 -200 -50

 

Принцип действия автоматического уравновешенного моста переменного тока типа КСМ – 4

В качестве вторичных приборов в комплекте с термометрами сопротивлений применяются обычно автоматические уравновешенные мосты, реже – логометры и неуравновешенные мосты.

Рассмотрим принципиальную схему лабораторного уравновешенного моста (рис. 5).

Термометр сопротивления , величина электрического сопротивления которого должна быть измерена, включается в одно из плеч моста посредством соединительных проводов, имеющих сопротивление .

Другие плечи моста состоят из постоянных манганиновых сопротивлений и и переменного калибровального сопротивления реохорда , выполненного также из манганина. К одной диагонали моста (ас) подведено питание постоянного или переменного тока, а в другую диагональ моста (bd) включен нуль-гальванометр [3].

При равновесии моста, когда перемещением движка реохорда добиваются отсутствия тока через нуль-гальванометр () удовлетворяется равенство:

, (8)

откуда:

. (9)

При изменении измеряемой температуры величина электрического сопротивления изменится, мост разбалансируется. Чтобы восстановить равновесие, необходимо при постоянных сопротивлениях , и соответственно изменить величину сопротивления реохорда , переместив его движок. Таким образом, если откалибровать сопротивление по эталонным резисторам, то по положению его движка при равновесии моста можно однозначно судить о величине сопротивления , и, зная зависимостъ , об измеряемой температуре.

Измерительная схема автоматического уравновешенного моста переменного тока типа КСМ 4 (рис. 6), включает 4 плеча, два из которых являются постоянными сопротивлениями и , - сопротивление, предназначенное для подгонки нижнего предела измерения прибора. В четвёртое плечо входит термометр сопротивления и уравнительная катушка . В вершине d моста имеется реохорд с параллельно включенными резисторами и . Резистором обеспечивают стандартность .

Приведенное сопротивление реохорда обеспечивают расчётом, в зависимости от верхнего предела измерения величиной резистора . В зависимости от положения движка d реохорда приведенное сопротивлениё переходит к плечу с резистором и с термометром [3].

Для ограничения величины тока последовательно с зажимами питания измерительной схемы моста включается сопротив-

Рис. 6. Схема автоматического уравновешенного моста

ление . В случае изменения температуры среды сопротивление термометра изменится и в диагонали моста между точка-

ми b и d потечет ток небаланса. Последний подается на вход усилителя У, заменяющего в автоматических мостах нуль-гальванометр. Усиленный по напряжению и мощности сигнал небаланса определенной фазы поступает на реверсивный двигатель РД. Вращаясь в ту или иную сторону, в зависимости от знака небаланса, реверсивный двигатель перемещает движок реохорда и показывающую стрелку до тех пор, пока измерительный мост не придет в состояние равновесия, т.е. когда ток не станет меньше зоны нечувствительности усилителя. На оси реохорда находится кулачок, по профилю которого скользит рычажок, кинематически связанный тягами с записывающим пером. Диаграммная бумага перемещается синхронным двигателем СД.

При градуировке приборов сопротивление каждого провода, идущего от термометра до прибора, принято 2,5 ¸ 0,01 Ом. Если сопротивление каждого провода будет меньше 2,5 Ом, то в соединительную линию последовательно включаются добавочные манганиновые сопротивления и , дополняющие сопротивления каждого провода до 2,5 Ом.

При колебаниях температуры окружающей среда величина сопротивления соединительных проводов будет изменяться. Как следует из уравнения (9), это приведет к дополнительной погрешности в показаниях автоматического уравновешенного моста [3].

В тех условиях, когда колебания температуры окружающей среды весьма значительны и погрешность при измерении может превысить допустимую величину, применяют трехпроводную систему подключения термометра (рис. 6). При таком присоединении сопротивление одного провода прибавляется к сопротивлению , второго провода – к переменному сопротивлению .

 

Описание установки

 

Схема установки для проверки градуировки уравновешенного моста типа КСМ-4 приведена на рис. 7. Установка состоит из моста КСМ-4 переменного тока 1, образцового магазина сопротивлений 2, переключателей 3 установленных в положение 1 (при этом на вход моста КСМ-4 подключается образцовый магазин сопротивлений), электродвигателя 4, экрана 5, печи 6 и термометра сопротивлений 7. Основная приведенная погрешность и вариация показаний моста КСМ-4 определяется путем сравнения его показаний, при помощи градуировочной таблицы с показаниями магазина сопротивлений.

Показания моста КСМ-4 и образцового магазина сопротивлений на всех оцифрованных отметках шкалы моста при прямом и обратном ходах стрелки заносят в табл. 4 и по ним рассчитывают значения относительной и абсолютной погрешностей прибора.

 

Т а б л и ц а 4

 

t,	R, Ом	R, Ом	Погрешности измерений
Прямой ход (П.Х.)	Обратный ход (О.Х.)	, Ом	, %	, %	В
(П.Х.)	(О.Х.)	(П.Х.)	(О.Х.)	(П.Х.)	(О.Х.)