Технические измерения и приборы Методические указания

ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
И ПРИБОРЫ
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Для студентов, обучающихся по направлению 220700 –
«Автоматизация технологических процессов и производств»
Составитель А. С. Яржемский
Владикавказ 2013
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Кафедра теории и автоматизации металлургических
процессов и печей
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
И ПРИБОРЫ
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Для студентов направления подготовки 220700 –
«Автоматизация технологических процессов и производств»
Составитель А. С. Яржемский
Допущено редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического
института (государственного технологического
университета).
Протокол № 24 от 02.07.2013 г.
Владикавказ 2013
1
УДК 53. 08 + 681. 2
ББК 31. 32 - 5
Я 72
Рецензент проф. Хатагов А. Ч.
Я 72
Технические измерения и приборы: Методические указания
по выполнению лабораторных работ / Сост.: А. С. Яржемский;
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: СевероКавказский горно-металлургический институт (государственный
технологический университет). Изд-во «Терек», 2013. 49 с.
Настоящие методические указания предназначены для
студентов,
обучающихся
по
направлению
220700
–
«Автоматизация технологических процессов и производств»
(бакалавриат), при изучении дисциплины «Технические измерения
и приборы».
Указания составлены в соответствии с ФГОС и учебным
планом по указанной дисциплине.
УДК 53. 08 + 681. 2
ББК 31. 32 - 5
Редактор: Иванченко Н. К.
Компьютерная верстка: Кравчук Т. А.
 Составление. Северо-Кавказский горно-металлургический
институт (государственный технологический университет),
2013
. Яржемский А. С., составление, 2013
Подписано в печать 25.10.13. Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 2,84. Тираж 20 экз. Заказ № ____.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный
технологический университет). Изд-во «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
2
362021. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
3
Лабораторная работа № 1
ВТОРИЧНЫЕ ПРИБОРЫ ДИСК-250 И ИХ ПОВЕРКА
Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом
действия приборов ДИСК-250 с различными измерительными
схемами; произвести поверку прибора и определить погрешность
измерения.
Назначение: приборы показывающие и регистрирующие
ДИСК-250 предназначены для измерения:
- силы и напряжения постоянного тока;
- силы тока;
- неэлектрических величин, преобразованных в указанные выше
сигналы или активное электрическое сопротивление.
Приборы выпускают для работы:
- с термоэлектрическими преобразователями стандартных
градуировок;
- с термопреобразователями сопротивления медными и
платиновыми;
- с унифицированными сигналами 0…5, 0…20, 4…20 мА; 0…5 и
0…10 В.
Приборы могут иметь (по заказу) выходные устройства:
- преобразователи выходного сигнала в унифицированный сигнал;
- регулирующее релейное или бесконтактное электрическое
устройство
для
формирования
трехпозиционного
закона
регулирования;
- релейное устройство сигнализации;
- электропневматический преобразователь.
При наличии регулирующего устройство в состав прибора
включают задатчик.
Технические данные: приборы ДИСК-250 выпускаются
нескольких моделей. Модель прибора зависит от наличия выходного
устройства, степени защиты, типа датчика, времени одного оборота
диаграммы и т. д. Модификация определяется посредством цифр,
следующих после наименования прибора. Например, ДИСК-2502011. Цифра 2 означает, что прибор имеет скорость прохождения
шкалы стрелкой указателя 5 с и время одного оборота дисковой
диаграммы 24 часа. Цифра 0 – выходные устройства отсутствуют;
цифра 1 – работает с термоэлектрическим преобразователем c НСХ L,
4
K, S; последняя цифра 1 – питание прибора 220 В, 50 Гц.
Модификации прибора приведены в табл. 1.1.
Время
одного обор.
Быстродейст
вие
1-я цифра (А)
1 16 с
24 ч
0
2 5с
24 ч
1
3 16 с
8ч
2
4 5с
8ч
3
5 5с
6
мин
4
6 16 с
6 сут 5
7 5с
6 сут 6
8 16 с
9 5с
8 сут 7
8 сут
2-я цифра (B)
3-я цифра (C)
Тип выходного
устройства
НСХ датчика,
входной сигнал
Выходных
устройств нет
3-позиционное
бесконтактно
е
регулирующе
е
3-позиционное
контактное
(релейное)*
регулирующе
е
ПИрегулирующе
е
ПИрегулирующе
е
пневматическ
ое**
Программное
бесконтактно
е
регулирующе
е
Программное
контактное
(релейное)
регулирующе
е
«Сталь»
Таблица 1.1
4-я цифра (D)
Напряжение,
частота
1
L, K, S
2
0-50,
0-100 2
мВ, 0-5, 0-10
В, 0-5, 4-20
мА
3
1
220 В,
50 Гц
220 В,
60 Гц
50П,
100П, 3
50М, 100М
240 В,
50 Гц
4
0-5 мА с БП, 4
БК
5
4-20 мА с БП,
БК
6
0-5 мА с БП,
4-20 мА с БП
7
0-5 мА с БК
8
9
4-20 мА с БК
5
проволочные
240 В,
60 Гц
или фольговые
тензорезисторы
по ГОСТ 22836
Примечания:
*Прибор укомплектован двумя реле типа РЭК 28-1 или ПЭ-37
**Прибор укомплектован электропневмопреобразователем ЭП-1324
БП-встроенный источник питания датчиков давления;
БК-встроенное устройство корнеизвлечения.
Длина шкалы: 560 мм (диаметр 250 мм)
Потребляемая мощность: не более 25 ВА
Габаритные размеры: 320х320х290 мм
Масса: не более 13 кг
Модификации приборов: ДИСК-250, ДИСК-250И, ДИСК-250П, ДИСК250ДД, ДИСК-250С.
По типу входного сигнала приборы ДИСК-250 разделяются по моделям:
ДИСК-250-АВСD.
Рис. 1.1 Внешний вид прибора ДИСК-250.
Проведение поверки
1. Внешний осмотр. При проведении внешнего осмотра должно
быть установлено соответствие поверяемого прибора следующим
требованиям:
- должны отсутствовать дефекты и повреждения, влияющие на
работу прибора или ухудшающие внешний вид;
- внутри прибора должны отсутствовать незакрепленные детали
и посторонние предметы;
6
- маркировка шкал и табличек должна быть четкой и
соответствовать описанию прибора.
2. Для проведения поверки прибор подключают к образцовым
средствам измерения по схеме рис. 1.2.
3. Для проверки быстродействия прибора скачкообразно
изменяют входной сигнал от значения, соответствующего начальной
отметке шкалы, до значения, соответствующего конечной отметки.
Аналогично определяют время при движении указателя в обратную
сторону.
Быстродействие определяют как среднее арифметическое
четырех измерений.
Прибор считается прошедшим испытание, если быстродействие
не превышает 5 или 16 с (в зависимости от модификации прибора).
МН
R1
PS
Рис. 1.2 Схема электрическая подключения поверочных средств
с входными сигналами ТХК, ТХА или ТПП:
МН – образцовый потенциометр (источник регулируемого напряжения);
PS – поверяемый прибор; R1 – резистор.
Сопротивление резистора R1 в схеме вместе с сопротивлением
соединительных проводов должно быть в пределах 160…200 Ом.
4. Определение основной погрешности.
Основную погрешность определяют по показаниям не менее чем
на пяти отметках шкалы, интервал между которыми не должен
превышать 30 % диапазона измерений, включая начальную и
конечную отметки.
Основную погрешность прибора по показаниям определяют
следующим образом: указатель прибора с помощью меры входного
сигнала (источника регулируемого напряжения) устанавливают, не
доходя до проверяемой отметки шкалы со стороны меньших
значений, и, медленно увеличивая входной сигнал доводят указатель
до совмещения с этой отметкой и определяют значение входного
сигнала Х = Х1. Затем указатель устанавливают, не доходя до
7
проверяемой отметки со стороны больших значений , и медленно
уменьшая входной сигнал, доводят указатель до совмещения с этой
отметкой и определяют значение входного сигнала Х = Х2.
Основную абсолютную погрешность по показаниям определяют
как наибольшее из двух значений Δ1 и Δ2, рассчитанных по
формулам:
Δ1 = Хном – Х1 – Δε – ХТ,
(1)
Δ2 = Хном – Х2 – Δε – ХТ,
(2)
где Хном – номинальное значение входного сигнала, соответствующее
проверяемой отметке, мВ;
Х1, Х2 – значение входного сигнала при подходе указателя к этой
отметке со стороны соответственно возрастающих и убывающих
значений, мВ;
ХТ – значение термо-ЭДС, мВ, соответствующее принятому значению
температуры термостата;
Δε – поправка на исключаемую систематическую составляющую
погрешности поверки, мВ, определяемую как разность между
термоЭДС компенсационных проводов и применяемых при поверке
проводов.
Значения Хном для прибора с входным сигналом от
термоэлектрических преобразователей берут по градуировочным
таблицам.
5. Составить отчет:
- дать заключение по п. 1;
- привести схему поверки прибора;
- получаемые при проведении поверки результаты и расчет по
формулам (1) и (2) занести в таблицу 2:
№ измер.
1
2
3
4
5
Хном
Х1
Δ1
Х2
Δ2
Сделать заключение о пригодности прибора к работе, сравнив
полученную максимальную погрешность с паспортной.
8
9
Лабораторная р абота №2
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
В КОМПЛЕКТЕ С МИЛЛИВОЛЬТМЕТРОМ
И АВТОМАТИЧЕСКИМ ПОТЕНЦИОМЕТРОМ
Цель
работы:
ознакомиться
с
конструкцией
термоэлектрического преобразователя, милливольтметра и провести
сравнительные измерения температуры объекта с помощью
милливольтметра и автоматического потенциометра.
Основные теоретические положения
Измерение
температуры
термоэлектрическими преобразователями (ТЭП)
основано на термоэлектрическом эффекте
Зеебека, который установил, что если концы двух
разнородных проводников соединить между
собой и одно из соединений нагревать, а другой
А
В
охлаждать,
то
в
контуре
появляется
электрический ток (рис. 2.1).
Допустим, что температура t1 > t0, т. е. конец
2
2 контура нагреть, то в контуре АВ за счет
•t1
движения электронов возникнет разность
потенциалов – термоэлектродвижущая сила
(термоЭДС).
Рис. 2.1
Термоэлектрически
Суммарная
термоЭДС,
обусловленная
й контур.
эффектом Зеебека, является функцией разности
температур t0 и t1 и зависит от свойств
проводников А и В.
Условимся, что ток в контуре, а, следовательно и термоЭДС,
направлены против часовой стрелки. Тогда можно записать:
t0
•1
ЕАВ(t1 t0) = еАВ(t1) + еВА(t0),
(1)
где ЕАВ(t1 t0) – суммарная термоЭДС контура;
еАВ(t1), еВА(t0) – разности потенциалов проводников А и В
соответственно при температурах t1 и t0.
Если t1 = t0, то ЕАВ(t1 t0) = 0, и тогда еАВ(t1) + еВА(t0)= 0, или
10
еАВ(t1) = – еВА(t0)
Подставив равенство (2) в уравнение (1), получим:
ЕАВ(t1 t0) = еАВ(t1) – еАВ(t0).
(2)
(3)
Из уравнения (3) видно, что величина термоЭДС
термоэлектрического преобразователя зависит от разности
температур t0 и t1, т.е. имеет место зависимость:
ЕАВ(t1 t0) = f(t1 t0)
(4)
Места соединения 1 и 2 проводников называют холодным и
горячим спаями ТЭП. Зависимость (4) можно использовать для
измерения температур, если t0 поддерживать постоянной. Тогда
ЕАВ(t1 t0) = f(t1)
(5)
Эта
зависимость
определяется
экспериментально
и
представляется в виде градуировочных таблиц. Если для данной
термопары экспериментально найдена зависимость
f(t1) , то
измерение неизвестной температуры сводится к определению
термоЭДС с помощью измерительного прибора.
Градуировка ТЭП проводится при t0 = 0 С. При производстве
технических измерений эта температура, как правило, отличается от
0 С. Поэтому для нахождения действительной температуры горячего
спая t1 необходимо вводить поправку на температуру холодного
спая. Она находится следующим образом.
Пусть t0/ = const, тогда ЕАВ(t1t0) > ЕАВ(t1t0/) и, следовательно
ЕАВ(t1t0) – ЕАВ(t1t0/) = еАВ(t) – eAB(t0) – eAB(t) + eAB(t0/) =
= eAB(t0/) – eAB(t0) – eAB(t0) = EAB(t0/t0).
Таким образом, с учетом поправки истинная термоЭДС будет
равна:
EAB(t1t0) = EAB(t1t0/) ± EAB(t0/t0),
где знак плюс относится к случаю, когда t0/ > t0, а знак минус – к
случаю, когда t0/ < t0.
11
В производственных условиях температура холодных спаев
изменяется в зависимости от температуры окружающей среды,
поэтому холодный спай стараются вывести в зону относительно
низких постоянных температур. Использовать для этой цели сами
термоэлектроды нерационально из-за их высокой стоимости и
технической нереализуемости. Поэтому для этой цели применяют
удлинительные провода, изготовленные из специальных материалов.
Такие провода называют компенсационными.
ТЭП, применяемые для технических измерений изготавливают
из чистых металлов или специальных сплавов. Диаметр электродов
0,5…3,2 мм. Основные виды ТЭП приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
ТЭП
Хромель –
алюмель
Хромель –
капель
Платинародий
–
платина
Платинородий
–
платинородий
Вольфрамрений
–
вольфрамрений
Вольфрамрений
–
вольфрамрений
Вольфрамрений
–
вольфрамрений
Железо –
константан
Условное
обозначение
Диапазон
измерения,
0
С
К (ТХА)
-200…1000
Предельная
температура при
кратковременных
измерениях, С
1300
L (ТХК)
-200…600
800
S (ТПП)
0…1300
1600
10 % родия
В (ТПР)
300…1600
1800
30 % родия –
6 % родия
А1 (ТВР)
0…2500
2500
5 % рения
Примечание
А2 (ТВР)
0…1800
2000
5 % рения
10 % рения
А3 (ТВР)
0…1800
2500
5 % рения
20 % рения
J (ТЖК)
-200…700
900
12
Медь
–
константан
Никель –
кремний
Т (ТМК)
-200…700
900
N (ТНН)
200…1300
1300
Конструктивно ТЭП разнообразны и зависят от условий
применения. Наиболее распространенный вариант конструкции ТЭП
приведен на рис. 2.2.
Рис. 2.2 Конструкция ТЭП
1 – защитный чехол; 2 – горячий (рабочий) спай; 3 – термоэлектроды;
4 – керамические изоляционные трубки; 5 – розетка соединительная;
6 – винт соединительный; 7 – компенсационные провода; 8 – головка;
9 – штуцер крепления ТЭП.
Термоэлектроды 3 по всей длине изолированы друг от друга
керамическими изоляторами 4. Концы термоэлектродов сварены и
образуют горячий спай 2. Свободные (холодные) концы
термоэлектродов подсоединяются к контактам розетки 5.
Термоэлектроды помещены в защитный чехол 1, изготавливаемый из
13
жаропрочной стали или высокотемпературной керамики. Для
закрепления ТЭП на оборудовании служит резьбовой штуцер 9.
Измерение температуры с помощью ТЭП производится в
комплекте
с
милливольтметром
или
автоматическим
потенциометром.
Милливольтметр показывающий
Принцип работы милливольтметра заключается в использовании
взаимодействии магнитного поля неподвижного постоянного магнита
и постоянного тока, протекающего через обмотку подвижной рамки
(рис. 2.3).
0
С
Rр
S
N
•
•
Rш
Rt
•
Rд
•
R пк
a
C
C t0
R вн
A1
B1
b
A
B
t2
Рис. 2.3 Схема включения милливольтметра в цепь ТЭП.
Рамка Rр включается в цепь ТЭП с помощью компенсационных
А1В1 и медных С проводов. Сила тока, протекающего в цепи, зависит
от термоЭДС ЕАВ(t2t0) и сопротивления измерительной цепи:
I = EAB(t2t0)/(Rг + Rвн),
(6)
где Rг – сопротивление милливольтметра, складывающееся из
сопротивления рамки Rр, добавочного сопротивления Rд, шунта
Rш и терморезистора Rt, Ом;
Rвн – сопротивление внешней цепи, складывающееся из
сопротивления термопары RT, сопротивления компенсационных
14
проводов Rкп и соединительных Rc проводов, соединения
подгоночной катушки Rпк, Ом.
При протекании тока через рамку, находящуюся в поле
постоянного магнита, в ней возникает крутящий момент М,
поворачивающий рамку и равный
М = 2rlnBI,
(7)
где 2r – ширина рамки;
l – длина рамки;
n – число витков обмотки рамки;
В – магнитная индукция в воздушном зазоре;
I – сила тока, протекающего в рамке.
При повороте рамка одновременно закручивает пружинки,
которые создают противодействующий упругий момент Мп:
Мп = Wφ,
(8)
где W – удельный противодействующий момент;
φ – угол поворота рамки.
Вращение рамки будет продолжаться до тех пор, пока
магнитоэлектрический момент не сравняется с
упругим
противодействующим моментом:
М = Мп и φ = 2rnlBI/W
(9)
Принимая, что r, l, n, B,W для данной конструкции прибора являются
постоянными величинами, получим
φ = С0I.
Следовательно, чем больше ток, тем больше угол поворота
рамки.
Автоматический потенциометр
Автоматический потенциометр реализует компенсационный
метод измерения термоЭДС, основанный на уравновешивании
неизвестной термоЭДС известным напряжением. Этот метод
позволяет измерить термоЭДС более точно, так как в момент
15
измерения ток в измерительной цепи равен нулю. Компенсационный
(потенциометрический) метод измерения поясняется рис. 2.4.
Замкнутый контур I содержит дополнительный источник тока
напряжением Еб и реохорд (компенсационный резистор) Rab. Этот
контур называют компенсационным. Контур измерения II включает в
себя ТЭП, термоЭДС ЕАВ(tt0) которого измеряется, и высоко
чувствительный гальванометр, выполняющий функцию нульиндикатора (НИ), а также Rac реохорда от точки «а» до подвижного
контакта «с».
Измеряемый источник ЕАВ(tt0)
включен
навстречу дополнительному
Еб_
+
источнику Еб так, что токи от обоих
мА
источников на участке Rac идут в
I
Iб
одном направлении. Если обозначить
Rab
b
ток, проходящий в контуре I, через Iб
a
Rac
c
(рабочий ток), а ток для контура II при
НИ
некотором положении движка С через
II
It
Iт, то на основании закона Кирхгофа
EAB(tt0)
t0
t0
для контура II справедливо равенство
_
+
В
А
ЕАВ(tt0) = IтRВН + IтRНИ + IтRас + IбRас (10)
t
Рис. 2.4 Схема потенциометра.
Откуда
IT 
где RВН – сопротивление проводов,
включая ТЭП;
RНИ – сопротивление нульиндикатора.
E AB tt 0  I б R ac 
R вн  R НИ  R ac
(11)
Перемещая движок С, можно добиться того, чтобы Iт стал
равным нулю. Это определится показанием нуль-индикатора, и тогда
ЕАВ(tt0) = Iб Rас
(12)
Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где
расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение
напряжения на участке Rac служит мерой измеряемой ЭДС.
16
Измерительная
схема
автоматического
потенциометра
представлена на рис. 2.5.
Работа схемы основана на принципе постоянства силы рабочего
тока. Здесь предусматриваются два контура компенсации напряжения
II и III. Контур III, содержащий в цепи резистор RM из медной
проволоки, служит для автоматического введения поправки на
температуру свободных концов ТЭП. Свободные концы ТЭП с
помощью удлинительных проводов FD подводятся к резистору RM и
находятся при одной температуре с ним. Остальные резисторы
измерительной схемы потенциометра выполняют из манганина.
Для питания измерительных контуров II и III в современных
потенциометрах применяют вместо батареи постоянного тока
источник стабилизированного питания ИПС, в котором входное
напряжение переменного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется
в выходное напряжение постоянного тока 5 В при нагрузке 1 кОм и
токе нагрузки I0, равном 5 мА. При работе ИПС в составе
потенциометра напряжение между точками к и d равно 1019 мВ. С
вводом ИПС в измерительную схему отпала необходимость контроля
рабочего тока, упростилась кинематика механизма, повысилась
надежность прибора.
17
к
ΙΙ
ΙΙΙ
RУ
I2
I1
Rn
Rпр
Rб
{
a
К1 К2
ИПС
RШ
RН
RР
RМ
d
b
c
НИ
РД
t0
СФ
ЭУ Мод
Ι
t0
RK
e
ΔU
~ 220 V
RФ
D
_EAB(tt0)
F
+
A
B
t
Рис. 2.5 Схема автоматического потенциометра.
Такая конструкция реохордной группы обусловлена тем, что при
необходимости изменения пределов измерения прибора возможно, не
трогая реохорд, изменить общее сопротивление Rр за счет изменения
сопротивления Rп, а иногда и Rш, оставляя при этом Rр стандартным.
Реохорд изготавливается из проволоки специального сплава и
является ответственным узлом схемы.
Подключение к клеммам К1 и К2 нормального элемента и
последовательно
соединенного
с
ним
нуль-индикатора
осуществляется для контроля рабочего тока I2 лишь при поверке и
градуировке прибора. При этом Uke= I2Rк=Енэ. Обычно Rк = 509,3 Ом,
тогда I2 = 2 мА; Rу – резистор для установки рабочего тока I2; Rпр –
значение сопротивления реохордной группы, состоящей из трех
параллельно соединенных резисторов: собственно реохорда Rр, шунта
Rш и сопротивления Rп.
Резисторы Rп и Rб служат для установления начального значения
шкалы прибора и значения тока I1=3 мА. В качестве нуль-индикатора
18
в автоматических потенциометрах используется электронный
усилитель ЭУ, на входе которого установлен модулятор МОД для
преобразования сигнала разбаланса напряжения постоянного тока U
в переменное напряжение. Для предохранения усилителя от наводок
и помех, возникающего в цепи ТЭП под влиянием электромагнитных
полей, предусмотрен фильтр, состоящий из резистора Rф и
конденсатора Сф.
Методика выполнения работы
Для измерения температуры используют установку, состоящую
из
милливольтметра,
автоматического
потенциометра,
термоэлектрического
преобразователя,
нагревателя,
автотрансформатора. Схема установки представлена на рис. 2.6.
Работа выполняется в следующей последовательности.
1. Проверить правильность включения элементов схемы по рис.
2.6.
2. Включить автотрансформатор и потенциометр 5 в сеть 220 В.
3. Установить на автотрансформаторе напряжение 50 В.
Напряжение контролировать по вольтметру 1. Дождаться, когда
стрелка указателя потенциометра остановится и записать показания в
таблицу протокола опыта. Перевести тумблер переключателя в
положение МВ и записать показания милливольтметра.
4. Установить на автотрансформаторе напряжение 75 В и через
каждые пять минут в течение 30 минут записывать показания
потенциометра и милливольтметра, проделав операцию по п. 3.
5. Выключить автотрансформатор. Выполнить операции замера
температуры через каждые пять минут в течение 30 минут. Показания
записывать в таблицу протокола.
19
~ 220 V
7
1
V
6
2
5
3
4
Рис. 2.6 Схема экспериментальной установки
1 – вольтметр; 2 – ТЭП; 3 – переключатель; 4 – милливольтметр
показывающий; 5 – автоматический потенциометр;
6 – печь лабораторная; 7 – автотранформатор
6. Сравнить результаты показаний приборов между собой.
7. Составить отчет.
Протокол эксперимента
Дата проведения эксперимента.
Милливольтметр типа_____, потенциометр типа _____
Класс точности ____, градуировка ____, цена деления ____
20
Таблица протокола
№
пп
1
2
3
.
.
.
.
.
Напряжение
на выходе
автотр-ра, В
50
Показания приборов, 0С
потенциометр
75
0
21
милливольтметр
Разность
показаний
Лабораторная работа №3
ЭЛЕКТРОННЫЕ МОСТЫ И ИХ ПОВЕРКА
Общие положения
Для измерения температуры с помощью ТПС применяются
уравновешенные и неуравновешенные мосты, логометры и
нормирующие преобразователи.
Уравновешенные мосты подразделяют на неавтоматические и
автоматические. В них используется нулевой метод измерения.
Схема уравновешенного моста представлена на рис. 3.1.
Диагональ
питания
моста
ab
Еб_
содержит источник тока, а диагональ
+
измерения dc – нуль-индикатор. Между
d
точками подключения разноименных
R2
диагоналей располагаются плечи моста,
R3
состоящие из постоянных резисторов R1
I2
I3
а
b
и R2 и регулируемого R3, а плечо cb
I1 Iни
содержит измеряемое сопротивление Rt
It
R1
и два соединительных провода каждый
c
сопротивлением
Rвн.
Если
мост
Rвн
Rвн
уравновесить, то ток Iни в диагонали cd
равен нулю, а токи в соответствующих
плечах раны, т. е. I2 = I3 и I1 = It и, как
Rt
следствие имеем:
Рис. 3.1 Схема
уравновешенного моста.
-I2R2 = I1R1 и I3R3 = It(Rt + 2Rвн)
Разделив эти равенства друг на друга, с учетом равенства
соответствующих токов, получим:
R2(Rt + 2Rвн) = R1R3
(1)
Полученное выражение, выведенное из условия Iни = 0, является
условием равновесия моста: чтобы мост находился в равновесии,
необходимо соблюсти равенство произведений сопротивлений
противоположных его плеч.
Этого можно достичь за счет переменного резистора R3, изменяя
его сопротивление до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет «0».
22
Таким образом, равновесие моста описывается выражением:
R
R t  1  R 3  2R вн .
R2
(2)
Из выражения (2) следует, что
неизвестно сопротивление Rt можно
d
определить по значению R3 при постоянном
R2
отношении R1/R2, а также неизменном
R3
значении Rвн. В то же время Rвн меняется с
a
изменением температуры окружающей
НИ
среды, что приводит к искажениям
R1
измерения Rt и в тем большей степени, чем
c
меньше значение Rt. Указанный недостаток
Rвн Rвн
может быть устранен путем трехпроводного
соединения ТПС с мостом (рис. 3.2).
Rt b
При таком соединении питающая
диагональ моста (точка b) доводится до
Рис. 3.2 Схема
ТПС. В результате этого соединительные
трехпроводного
провода оказываются разнесенными к двум
включения ТПС.
плечам моста: одно из сопротивлений Rвн –
в плече вместе с R3, а другое Rвн – в
смежном плече с Rt. Тогда условие равновесия моста
R1(R3+Rвн) = R2(Rt+Rвн),
откуда
R
(3)
R t  1 (R 3  R вн )  R вн
R2
+
Еб_
Если сделать мост симметричным (R1 = R2), то будем иметь
R3 = Rt, т. е. результат измерения в этом случае не зависит от
сопротивления соединительных проводов Rвн.
Недостатком
уравновешенных
мостов
является
неопределенность в измерении, которое вносит переходное
сопротивление контакта на регулируемом плече R3. Для устранения
этого недостатка подвижный контакт располагают в измерительной
диагонали, при этом регулируемое сопротивление оказывается
размещенным в двух плечах моста. Т. о., при уравновешивании моста
путем перемещения контакта изменяется сопротивление сразу обоих
плеч, а переходное сопротивление контакта, располагаемое теперь в
23
измерительной диагонали, из-за отсутствия тока в момент
уравновешивания, не сказывается на результате измерения.
Достоинством уравновешенных мостов является независимость
их от напряжения питания, минимально допустимое значение
которого определяется чувствительностью нуль-индикатора.
Автоматический уравновешенный мост, собранный по схеме с
переменным сопротивлением плеч и трехпроводным соединением
ТПС с мостом, представлен на рис. 3.3.
n
Rnp
RД
m
d
Rp
{
Rш
Rn
R1
RЛ
RЛ
РД
R3
~6,3v
ЭУ
a
R2
c
Rt
b
Рис. 3 Схема автоматического уравновешенного моста.
Переменное сопротивление содержит здесь три резистора: Rр –
собственно реохорд, выполняющий измерительные функции; Rш –
шунт реохорда; Rп – резистор для подгонки заданного значения
параллельного соединения сопротивлений всей реохордной группы;
Rпр, R1, R2, R3 – резисторы мостовой схемы; RД – добавочный
резистор для подгонки тока из условия минимального самонагрева
термосопротивления; Rб – балластный резистор в цепи питания для
ограничения тока; Rt – термопреобразователь сопротивления; Rл –
резистор для подгонки сопротивления линии; m – положение движка
правее точки «d»; n – положение движка реохорда левее точки «d» в
долях от Rпр.
24
Для получения линейной зависимости движка реохорла от
изменения сопротивления резистора Rt последний включается в
плечо, принадлежащее к реохорду.
В качестве нуль-индикатора НИ в автоматических мостах
используются электронные усилители ЭУ. Автоматические мосты
питаются как переменным, так и постоянным током. В последнем
случае на входе усилителя ставят модулятор, аналогично схеме
потенциометра.
При
изменении
измеряемой
температуры
изменяется
сопротивление Rt и мост выходит из равновесия, в измерительной
диагонали cd появляется разбаланс напряжения U, который
усиливается и передается на реверсивный двигатель РД. Последний
передвигает движок реохорда до наступления нового положения
равновесия измерительной схемы. Одновременно с движком
перемещается
стрелка
указателя
отсчетного
устройства,
позволяющего определить значение измеряемой температуры.
Неуравновешенные мосты не требуют
уравновешивания тока, проходящего в его
Еб
+ _
измерительной диагонали (рис. 3.4).
Rб
Значение этого тока является мерой
d
подсоединенного
к мосту измеряемого
R2
R3
сопротивления.
Это
основное
преимущество
неуравновешенных
мостов.
mA
a IД
b
Неуравновешенные
мосты
относительно
редко
используются
для
К RК
R1
измерения температуры. Они широко
c П
применяются
в
различных
И
газоанализаторах,
где
в
качестве
чувствительных элементов используются
Rt
нагреваемые током сопротивления.
В
неуравновешенном
мосте
сопротивления трех плеч R1, R2, R3 –
Рис. 3.4 Схема
неуравновешенного моста. постоянны, Rб – реостат в диагонали
питания, П – переключатель, с помощью
которого к четвертому плечу моста подключается измеряемое
сопротивление Rt (положение И) или контрольное сопротивление Rк
(положение
К).
Значение
тока
I Д,
проходящего
через
миллиамперметр, определяется выражением:
25
I Д  Uab
R 2 R t  R1R 3
,
M
(4)
где М = f(R1, R2, R3, Rt).
Несмотря на то, что М зависит от также от Rt, при малых его
изменениях значение М можно считать постоянным. Тогда из (4)
следует, что если напряжение в диагонали ab питания моста Uab
постоянно, ток в измерительной диагонали cd линейно зависит от Rt.
Для контроля Uab переключатель П устанавливают в положение К.
Если значение напряжения Uab равно значению, принятому при
градуировке прибора, то в положении К значение тока IД должно
быть вполне определенным и стрелка миллиамперметра установится
на контрольном делении шкалы. В противном случае указанное
достигается за счет изменения сопротивления реостата Rб.
Применении ИПС исключают эту операцицю. Если в качестве Rt
используются не полупроводниковые резисторы, то с целью
исключения погрешности от влияния изменения сопротивления
соединительных проводов при изменении их температуры применяют
трехпроводную схему соединения Rt с мостом. Для этого точку «b»
смещают до терморезистора. Для получения разности Rt1 и Rt2 эти
резисторы включают в прилегающие плечи неуравновешенного
моста, сигнал которого в данном случае представится в виде:
IД = k(Rt1 – Rt2)
(5)
где k – коэффициент преобразования.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с конструкцией, типом и основными элементами
автоматического электронного моста.
МС
Рис. 3.5 Схема соединения электронного автоматического моста
с магазином сопротивлений.
26
2. Собрать схему по рис. 3.5, для чего соединить проводами вход
автоматического электронного моста с магазином сопротивлений.
3. Подать на мост питание, для чего включить его в сеть.
4. Используя градуировочную таблицу, установить стрелку
указателя прибора с помощью магазина сопротивлений на первое
большое деление шкалы.
5. Записать показания прибора, значение сопротивления на
магазине сопротивлений, значения сопротивления по градуировочной
таблицы в протокол испытаний.
6. Последовательно повторить операцию для каждого
последующего большого деления шкалы в прямом и обратном
направлениях.
7. Составить отчет. В отчет входит краткое описание прибора,
протокол испытаний и расчет погрешности.
Протокол
Поверка моста типа _____ № _____ градуировка ______ с
пределами измерений от _____ до ______
Класс точности ____ , цена деления шкалы _____.
Поверка проводилась по образцовому магазину сопротивлений
______ с ценой деления последней декады _____ .
Сопротивление
Абсолютная
погрешность
№ Показания Сопротивление на магазине, Ом
пп моста, 0С по таблице, Ом прямой обратный прямой обратный
ход
ход
ход
ход
Определить величину абсолютной
поверяемой точки по формулам:
Δ1 = RT – R1;
погрешности
каждой
Δ2 = RT – R2,
где Δ1, Δ2 – абсолютная погрешность при прямом и обратном ходе
соответственно, Ом;
RT – сопротивление по градуировочной таблице для каждой точки;
R1, R2 – сопротивления соответственно при прямом и обратном
ходе, установленная на магазине сопротивлений.
27
Определить величину максимально допустимой абсолютной
погрешности
Δmax = [(Rk – Rн)/100]∙k,
где Rk, Rн – сопротивления, соответствующие началу и концу шкалы
прибора по грдуировочной таблице, Ом;
k – класс точности прибора (по шкале).
Сделать заключение о пригодности прибора к эксплуатации
(прибор годен к эксплуатации, если …).
28
Лабораторная р абота №4
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ СОПРОТИВЛЕНИЯ
И ЛОГОМЕТРОМ
Цель работы: ознакомиться с конструкцией и принципом
действия термопреобразователя сопротивления (ТПС) и областью его
применения; ознакомиться с устройством и принципом работы
логометра, провести поверку логометра, определить его
метрологические характеристики и пригодность к эксплуатации.
Основные положения
Измерение температуры термопреобразователями сопротивления
(ТПС) основано на свойстве металлов и полупроводников менять
свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если
априорно известна зависимость между сопротивлением Rt ТПС и его
температурой t [т. е. Rt = f(t) – градуировочная характеристика], то,
измерив Rt, можно определить температуру среды, в которую он
погружен.
ТПС позволяют надежно измерять температуру в диапазоне от
–260 С до +1100 С.
Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в
большей степени он отвечает указанным основным требованиям, а
его электрические характеристики приближаются к своим
предельным значениям.
Для изготовления стандартизированных ТПС в настоящее время
применяют платину и медь.
Конструкция ТПС с металлическим термопреобразователем
сопротивления представлена на рис. 4.1.
Тонкая проволока или лента 1 из меди или платины
наматывается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца или
пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения
индуктивного сопротивления. После намотки каркас вместе с
проволокой покрывают слюдой. Длина намотанной части каркаса с
платиновой проволокой 50…100 мм, а с медной – 40 мм.
Для защиты от механических повреждений каркас помещают в
тонкостенную алюминиевую гильзу 3, а для улучшения
теплопередачи от измеряемой среды к чувствительному элементу
29
между ним и защитной гильзой устанавливают упругие
металлические пластины 4. Гильзу 3 помещают во внешний
замкнутый стальной чехол 5, который устанавливается на объекте с
помощью штуцера 6.
В верхней части чехла имеется
8
10
соединительная головка 8, в
которой находится изоляционная
колодка 7 с винтами для крепления
соединительных
проводов
10.
9
7
Выводные провода от каркаса до
головки
изолируются
керамическими бусами 9.
Значения Т и τ зависят от
6
размеров защитного чехла и его
материала, а также условий
теплообмена.
5
Полупроводниковые
ТПС
применяются
для
измерения
4
температуры от –100 до 300 С. В
3
1
качестве материала для них
2
используются
различные
полупроводниковые вещества –
Рис. 4.1 Схема ТПС.
оксиды
магния,
кобальта,
марганца, титана, меди, кристаллы
германия.
Основным преимуществом полупроводников является их
большой
отрицательный
температурный
коэффициент
сопротивления. При повышении температуры на один градус их
сопротивление уменьшается на 3–5 %, что делает их очень
чувствительными к изменению температуры. Кроме того, они
обладают значительным удельным сопротивлением и потому при
очень малых размерах имеют большое номинальное сопротивление
(от нескольких до сотен кОм), что позволяет не учитывать
сопротивление соединительных проводов и измерительной схемы.
Следствием малых размеров полупроводниковых ТПС является
возможность безинерционного измерения температуры.
Недостатком полупроводниковых материалов
является их
значительная нелинейность и, главное, невоспроизводимость
градуировочных характеристик. Поэтому полупроводниковые ТПС
даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки.
30
Для измерения температуры с помощью термопреобразователей
сопротивления используют мосты и логометры.
Логометры магнитоэлектрической системы используются в
комплекте с ТПС для измерения температуры.
Логометр со скрещенными
рамками (рис. 4.2) состоит из двух
3
жестко скрепленных между собой
M1
M2
рамок 1 и 2, изготовленных из
1
медной изолированной проволоки
S x
x N
сопротивлением
r1 и r2. На общей
R1
R2
оси рамок насажена стрелка 3
2
отсчетного механизма прибора. В
кольцевом
воздушном
зазоре
_
I2
I1
между
цилиндрическим
+
сердечником из мягкой стали и
полюсными
наконечниками
вращаются
активные
стороны
Rt
рамок.
В
отличие
от
милливольтметра воздушный зазор
Рис. 4.2 Схема логометра.
между сердечником и полюсами
магнита неравномерен и поэтому
магнитное поле здесь распределяется неравномерно. Воздушный
зазор по оси х-х минимален и увеличивается по обе стороны от оси к
периферии. В соответствии с этим магнитная индукция В в центре
максимальна и уменьшается примерно по квадратичному закону по
мере удаления от центра к краям полюсных наконечников.
Т. о., магнитная индукция является функцией угла поворота
рамок φ:
B = f(φ).
(1)
Токи I1 и I2 направлены так, что возникающие в них моменты М1
и М2 направлены навстречу друг другу. Зависимость каждого из
моментов может быть выражена зависимостями:
М1 = с I1B1 и М2 = с I2 B2,
(2)
где с – постоянный коэффициент, зависящий от геометрии рамок.
В
отличие
от
милливольтметра
в
логометре
нет
противодействующих пружин, а уравновешивание момента,
31
действующего в одной из рамок, происходит за счет момента другой
рамки.
Рис. 4.3 Внешний вид логометров.
При
изменении
температуры
изменяется
величина
сопротивления Rt. Допустим при этом, что увеличивается ток I1, что
приводит к увеличению момента М1, который начнет поворачивать
подвижную систему против движения часовой стрелки. При этом
окажется, что активные стороны рамки 1 будут перемещаться из поля
с большей магнитной напряженностью в поле с меньшей магнитной
напряженностью. Активные же стороны рамки 2, наоборот,
перемещаются из поля с меньшей напряженностью в поле с большей.
В процессе перемещения момент М1 будет уменьшаться, а момент М2
– увеличиваться. При некотором угле поворота подвижной системе φ
наступит состояние равновесия:
М1 = М 2
или с I1B1 = с I2 B2
(3)
I 2 B1

 φ()
I1 B 2
(4)
откуда
или
  F(
I2
).
I1
(5)
Из (5) следует, что угол поворота φ подвижной системы
определяется отношением двух токов (греч. – логус – отношение),
отсюда название – логометр.
Выражая каждый из токов I1 и I2 через напряжение питания
контуров U и соответствующие сопротивления, имеем:
 F
R  r  R1
I2
U (r2  R 2 )
F
F t 1
,
I1
U (R t  r1  R 1 )
r2  R 2
32
(6)
где R1, r1, R2, r2 – постоянные, поэтому
φ = ψ(Rt).
(7)
Так как логометр непосредственно измеряет отношение двух
токов от одного источника, изменение напряжения в определенных
пределах не влияет на показания прибора.
Рамки прибора выполнены из меди, поэтому их электрическое
сопротивление зависит от температуры окружающей среды. Для
уменьшения этого влияния последовательно с резисторами r1 и r2
включают R1 и R2, выполненные из манганина. Их значения много
больше, чем r1 и r2.
Порядок выполнения работы
и обработка результатов измерения
Работа
проводится
представленной на рис. 4.4.
на
экспериментальной
установки,
2
3
1
5
4
Рис. 4.4 Схема экспериментальной установки
1 – нагреватель; 2 – термопреобразователь сопротивления; 3 – логометр;
4 – магазин сопротивлений; 5 – переключатель.
1. Собрать измерительную схему и проверить правильность
подключения. Получит разрешение преподавателя на проведение
эксперимента.
2. Включить нагреватель.
3. С помощью магазина сопротивлений и с использованием
магазина сопротивлений установить стрелку отсчетного устройства
логометра на начальную отметку шкалы.
4. С помощью переключателя подключить ТПС к логометру и
записать начальную температуру в таблицу протокола.
33
5. Ввести ТПС в нагреватель и через 1 минуту записать
показания логометра.
6. Подключить логометр к магазину сопротивлений и методом
подбора установить стрелку прибора на полученные показания.
7. Эксперимент повторить при достижении стрелкой указателя
очередного большого деления шкалы.
8. Отключить нагреватель и провести аналогичные измерения
при обратном ходе.
9. Обработать результаты измерения и дать заключение о
пригодности прибора к эксплуатации.
Протокол
Поверка логометра типа _________ № _______ градуировка
________ с пределами измерения от ______ до ________ 0С.
Класс точности ______ , цена деления шкалы ________
Поверка проводилась по образцовому магазину сопротивления
________ с ценой деления последней декады _______ .
Результаты поверки
№
пп
Сопротивление
Абсолютная
Сопротивление
Показания
на магазине, Ом
погрешность
по
логометра,
градуировочной прямой обратный прямой обратный
0
С
таблице, Ом
ход
ход
ход
ход
1
2
…
Определить величину абсолютной
поверяемой точки по формулам:
Δ1 = RT – R1;
погрешности
каждой
Δ2 =RT – R2,
где Δ1, Δ2 – абсолютная погрешность при прямом и обратном ходе
соответственно, Ом;
RT – сопротивление термометра по градуировочной таблице, Ом;
R1, R2 – сопротивления соответственно при прямом и обратном
ходе, установленном на магазине сопротивлений.
Определить величину максимально допустимой абсолютной
погрешности:
Δmax = [(Rк – Rн)/100]∙k,
34
где Rк, Rн – сопротивления, соответствующие концу и началу шкалы
прибора по градуировочной таблице, Ом;
k – класс точности прибора.
35
Лабораторная р абота №5
ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ВОЗДУХА
Цель работы: ознакомиться с практикой определения расхода
газов и жидкостей методом переменного перепада.
Основные теоретические положения
Одним из самых распространенных способов измерения
расходов газов, жидкостей и паров является метод переменного
перепада давления, создаваемого на сужающем устройстве.
Преимущества метода заключаются в простоте, надежности,
отсутствие движущихся частей, высокая технологичность серийного
изготовления средств измерений практически на любые давления и
температуры измеряемых сред, низкая стоимость, возможность
измерения практически любых расходов. Кроме того, имеется
возможность получения градуировочной характеристики расчетным
путем
без
использования
дорогих
расходоизмерительных
метрологических установок.
В соответствии с этим методом в трубопровод устанавливают
сужающее устройство. При протекании измеряемой среды через
отверстие сужающего устройства скорость потока увеличивается по
сравнению с его скоростью до сужения. Вследствие этого давление
потока на выходе из сужающего устройства уменьшается и на
сужающем устройстве создается перепад давления, измеряемый
дифманометром. Перепад давления зависит от скорости потока в
сужении или от расхода потока.
На рис. 5.1 а приведена схема потока, протекающего по
трубопроводу 1 через сужающее устройство (СУ) 2 типа «нормальная
диафрагма», графики распределения давления (рис. 5.1 б) и скорости
(рис. 5.1 в).
Выделим в трубопроводе три сечения: А-А – перед сужающим
устройством, где еще нет его влияния на поток; В-В – место
наибольшего сужения потока; С-С – сечение после СУ, где
устанавливаются скорость и давление потока.
Пройдя сечение А-А, поток сжимается и благодаря действию сил
инерции сжатие продолжается и на выходе из диафрагмы, достигая
своего максимального значения на некотором расстоянии от
диафрагмы в сечении В-В. Уменьшение сечения струи приводит к
36
увеличению скорости от W1 в сечении А-А до W2 в сечении В-В. При
рассмотрении изменения давления, необходимо различать давление у
стенки трубы и на ее оси. Из графика рис. 1б видно, что давление в
одной и той же вертикальной плоскости неравномерно. Давление у
стенки трубы непосредственно перед диафрагмой Р1 (сплошная
линия) несколько возрастает за счет уменьшения скорости в этом
месте, а по оси трубы (штрихпунктирная линия) уменьшается и
достигает минимума Р2’ в сечении В-В. По мере расширения потока
скорость потока уменьшается, а давление у стенок трубы возрастает и
в сечении С-С эти значения устанавливаются.
F1
А
2
1 F0
В
F2
С


W2
W1
P1‘
P2‘


а)
P
P1‘
δP
ΔP
P1
P2
P2‘
P3‘
τ
б)
W
W2
W1
А
в)
В
W3
С
τ
Рис. 5.1 Схема потока через диафрагму (а), графики
распределения давления (б) и скорости (в).
Изменение давления струи по оси трубопровода практически
совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением
участков перед диафрагмой и непосредственно в ней. Однако, если
скорость потока W3 в сечении С-С в идеальном случае равна скорости
W1 до сужения, т. е. в сечении А-А, то давление Р3’ в сечении С-С не
достигает своего прежнего значения на величину Р = Р1’ – P3’,
37
называемую безвозвратной потерей давления. Эта потеря связана с
затратой части энергии потока на вихреобразования в мертвых зонах
и на трение.
Если через СУ протекает сжимаемая среда (газ или пар), то
вследствие понижения давления увеличивается ее объем. В
результате скорость потока возрастает и становится больше скорости
несжимаемой среды, а на СУ увеличивается перепад давления. Для
учета этого явления в уравнения расхода вводится дополнительный
коэффициент ε < 1, называемый поправочным множителем на
расширение измеряемой среды.
Тогда уравнения для массового и объемного расходов
сжимаемой среды примут вид:
G  Cααε 2 ρ(P1  P2 ) ,
Q  Cααε 2
где C
1
(P1  P2 ) ,
ρ
π
2 – постоянный коэффициент;
4
(1)
(2)
 – плотность среды в
рабочих
условиях на
2
3
входе
в
СУ,
т.е. при
•
•
давлении
Р1
и
температуре Т1 перед
СУ.
Уравнения (1) и (2)
являются
основными
уравнениями расхода
как для сжимаемых, так
и для несжимаемых,
причем для последних
ε = 1. Использование
•
•
этих
уравнений
l
возможно только при
условии, что скорость
пара или газа меньше
Рис. 5.2 Нормальная дифрагма:
1 – диафрагма; 2 – фланец; 3 – трубопровод; D критической скорости.
– диаметр трубопровода; d – диаметр отверстия
Сужающее
диафрагмы; l – толщина диска диафрагмы.
устройство
типа
D
d
1
38
нормальная диафрагма представлена на рис. 5.2.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с установкой.
2. Проверить наличие жидкости в микроманометре.
3. Установить заслонку на трубопроводе в положение «0».
4. Включить вентилятор.
5. Записать показания микроманометра.
6. Повернуть заслонку на 15 и записать показания
микроманометра.
7. Аналогичную операцию повторить через каждые 15 до 90.
8. Провести измерения обратным ходом.
9. Рассчитать объемный расход воздуха для каждого опыта по
формуле:
ΔP
Q = 0,01252∙α∙ε∙d2 √ ρ , м3/час,
где α – коэффициент расхода, равный 0,375;
ε– поправочный множитель на расширение измеряемой среды,
равный 1;
d – диаметр отверстия диафрагмы, равный 100 мм;
ΔР – замеренный перепад давления на СУ (н/м2, кгс/м2);
ρ – плотность измеряемой среды в рабочих условиях, равная
1,29 кг/м3.
Результаты расчета заносятся в табл. 5.1.
Таблица 5.1
№
Положение
заслонки
Перепад давления, кгс/м2
прямой ход
обратный ход
Расход воздуха,
м3/час
1
2
…
Построить график зависимости расхода при прямом и обратном
ходе в зависимости от положения заслонки.
39
Лабораторная работа № 6
ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ТВЕРДЫХ
И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Цель
работы:
ознакомиться
с
принципами
работы
взвешивающих устройств непрерывного действия и чувствительными
элементами этих устройств.
Теоретические положения
Для измерения расхода сыпучих и твердых материалов
применяют автоматические дозаторы или весовые устройства.
Дозаторы обычно разделяют на порциальные и непрерывного
действия. Порциальные дозаторы представляют собой весовые
устройства, которые дискретно отвешивают определенную порцию
материала, помещаемую в ящик известного объема. Весовое
устройство может быть рычажным, пружинным, комбинированным,
тензометрическим.
Рычажные весовые устройства основаны на уравновешивании
неизвестного груза эталонным грузом через систему рычагов,
установленных на призматических опорах. На этих весах возможно
взвешивать материал от десятков килограмм до сотен тонн с
достаточно высокой точностью (погрешность не более 0,1 %).
Пружинные весовые устройства применяют при взвешивании с
невысокой точностью и малой скоростью измерения.
Для измерения массового расхода твердого сыпучего материала в
непрерывном потоке в последнее время широко используются
ленточные транспортерные весоизмерители. Принципиальная схема
весоизмерителя приведена на рис. 6.1.
На рис. 6.1 а показана схема консольного весоизмерителя.
Конструкция весоизмерителя состоит из рамы 1, закрепленных на ней
ведущего 2 и ведомого 3 барабанов. На барабаны натянута
транспортерная лента 4. Привод осуществляется электродвигателем 5
и редуктором 6. привод одновременно является противовесом, так как
транспортер консольно опирается на призмы 11 и может качаться в
вертикальной плоскости. Ось ведомого барабана через тягу 7 связана
с весовой головкой 8, в которой расположено уравновешивающее
рычажное устройство с эталонным грузом 10. Для дистанционной
40
передачи
измерительной
информации
дифференциально-трансформаторная катушка 9.
используется
9
8
10
7
13
12
3
1
4
5 6
а)
11
2
3
1
БОИ
14
5, 6
4
2
б)
Рис. 6.1 Схемы транспортерных весоизмерителей.
При отсутствии материала на ленте транспортер находится в
горизонтальном положении, и выходной сигнал равен нулю.
Появление материала вызывает отклонение транспортера от
горизонтального положения вниз и вызывает перемещение
сердечника дифтрансформатора, что обуславливает появление
выходного сигнала, пропорционального отклонению свободного
конца транспортера.
Уравновешивание взвешивающей системы производится при
отсутствии груза на ленте, т. е. в нулевом положении весоизмерителя.
Весоизмеритель по схеме рис. 6.1 б отличается отсутствием
консольной установки и другим принципом измерения расхода. Здесь
параллельно измеряются два параметра: нагрузка на ленту материала
и скорость движения ленты. Для измерения этих параметров
используются датчик скорости 13 и тензометрический датчик
нагрузки 14. Сигналы с датчиков поступают в блок обработки
информации БОИ, где происходит вычисление расхода по формуле
F = W S,
(1)
где F – массовый расход материала, кг/с;
W – погонная масса (нагрузка) на ленте, кг/м;
S – скорость движения ленты, м/с.
Выходным сигналом является унифицированный токовый сигнал
4…20 мА или другой из ряда унифицированных, а также сигнал в
цифровом коде.
41
В дозаторах с преобразованием силы давления материала
(массы) в электрический сигнал в качестве чувствительного элемента
применяют тензометрические датчики (тензометры). Принцип
действия их основан на зависимости электрического сопротивления
проводника от величины деформации от приложенной силы.
Тензорезистор представляет собой тонкую (15…60 мкм) проволоку,
сложенную в виде спирали и обклеенную тонкой бумагой (рис. 6.2).
Такой элемент приклеивают к детали для измерения деформации.
Способ измерения основан на изменении сопротивления проволоки
при ее растяжении или сжатии.
Тензорезисторы, имеющие
величину
относительного
изменения
электрического
сопротивления ΔR/R (не более
1%), требуют применения очень
чувствительных измерительных
схем.
1
2
3
Чувствительностью
тензодатчиков
называют
Рис. 6.2 Схема тензорезистора
отношение
величины
1 – проволока; 2 – подложка
относительного изменения его
бумажная; 3 – контакты.
сопротивления ΔR/R (выходная
величина) к величине относительной деформации Δl/l (входная
величина), т. е.
R/R
S=
G
Рис. 6.3 Статическая
характеристика тензодатчика.
∆R/R
∆l/l
(2)
Статическая характеристика
тензометрических
датчиков
изображается в виде прямой линии
(рис.
6.3)
в
координатной
плоскости,
где
величина
относительной деформации тела в
пределах ее линейности заменяется
на измеряемый вес.
Методика исследования и обработка результатов эксперимента
Описание экспериментальной установки
42
Для проведения эксперимента используется установка,
состоящая из жесткой рамы с направляющими рамками.
измерительная рейка
и силоизмерительный датчик типа ДСТ
соединены металлическим тросом (рис. 6.4).
G
1
3
2
Д
4
ПА-1
ЦИ
Рис. 6.4 Схема экспериментальной установки
1 – измерительная рейка; 2 – трос; 3 – ролики; 4 – опоры роликов
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с установкой и ее элементами.
2. Включить питание установки.
3. Установить «0» на цифровом индикаторе резистором
установки нуля.
4. Нагружать установку эталонными грузами, помещая в
подвеску последовательно 5, 10,15…37 кг.
5. После помещения каждого груза записывать показания
прибора в табл. 6.1.
6. Выполнить измерения при обратном ходе, для чего снимать
грузы в обратном порядке, записывая показания цифрового
индикатора в таблицу.
7. Построить график зависимости Nпр = f(G).
8. Составить отчет.
Таблица 6.1
№
Вес, кг
Показания прибора
прямой ход
обратный ход
1
2
…
43
Δ
Δ определяется как разность между соответствующими
показаниями прибора меду прямым и обратным ходом.
44
Лабораторная р абота №7
ЛИНЕЙНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Цель работы: ознакомиться с методами проведения линейных
измерений различными мерительными инструментами и научиться
определять погрешность измерения.
Общие положения
Линейные
измерения
применяются
для
определения
геометрических размеров. На практике чаще всего используют
линейки и штангенциркули.
Линейка. Всем известная линейка пригодна для измерения самых
разнообразных деталей. Однако по ней можно отсчитать только целое
число миллиметров. А миллиметр при современных точностях
обработки стал весьма большой единицей длины, поэтому линейку
применяют только для грубых измерений (рис. 7.1 ).
Рис. 7.1 Измерительная линейка.
Штангенциркуль ШЦ-1 с двусторонним расположением губок
для наружных и внутренних измерений и линейкой для измерения
глубин и высоты уступов (рис. 7.2) представляет собой штангу 3 с
основной шкалой 5, по которой может передвигаться рамка 2 с
дополнительной шкалой 6 (нониусом). На шкале 5 цифры означают
сантиметры, а каждое деление — миллиметры.
С рамкой связана линейка 4 для измерения глубин. Винт 1
служит для фиксации рамки в нужном положении. Диапазон
измерений штангенциркуля ШЦ-1 0–125 мм с отсчетом по нониусу
0,1 мм. Целые миллиметры отсчитывают по шкале 5, десятые доли —
по совпадению какого-либо деления нониуса с одним из делений
основной шкалы. На рисунке первое деление нониуса совпадает с
45
делением шкалы 5, что соответствует размеру 20,1 мм (для
наружного диаметра D, внутреннего — d и глубины I). Нониусы для
различных типов штангенинструментов выпускают также с ценой
деления 0,05 мм, реже 0,02 мм.
Существуют штангенциркули с
круговым нониусом, имеющие отсчет по нониусу 0,1 или 0,01 мм.
Рис. 7.2 Штангенциркуль ШЦ-1.
Отсчет показаний линейных измерителей. Для правильного
измерения и получения достоверных показаний при использовании
линейки необходимо знать несколько приемов. Линейка должна
располагаться параллельно краю измеряемого предмета. Желательно,
чтобы противоположные деления линейки располагались на одной
прямой по отношению к краю измеряемого предмета (рис. 7.3).
мм
1
2
30
мм
1
30
б)
а)
Рис. 7.3 Расположение линейки относительно предмета
а) – правильное; б) – неправильное.
При измерении линейкой необходимо помнить, что точность
измерения зависит от двух факторов: объективного – ширина штриха
и цена деления; субъективного – зрение человека и его опыт. Поэтому
линейкой проводят грубые измерения с точностью до 1 мм. Конечно,
можно измерить с точностью приблизительно до 0,5 мм, но это
крайне трудно и практически такая точность достигается «на глаз».
46
Штангенциркуль. Выше подробно рассмотрено устройство
штангенциркуля, поэтому здесь мы остановимся только на
особенностях измерения.
Штангенциркуль состоит из основной шкалы – линейки с
миллиметровыми делениями и перемещающейся по ней подвижной
рамки. На левом конце основной шкалы имеются выступы,
называемые неподвижной губкой, а выступы у рамки носят название
подвижной губки. Между губками зажимают измеряемый предмет.
По штрихам основной шкалы прочитывают целое число
миллиметров. К рамке прикреплена маленькая линейка-нониус – с
десятью делениями, которые равны девяти делениям основной
шкалы, т. е. каждое деление нониуса на 0,1 мм меньше деления
основной шкалы. По штрихам нониуса определяют, на сколько
десятых долей миллиметра измеряемый размер превышает целое
число миллиметров. Для этого устанавливают, какой из штрихов
нониуса совпал со штрихом основной шкалы (рис. 7.4).
Рис. 7.4 Отсчет показаний по нониусу с ценой деления 0,1 мм
(крестиком отмечены совпадающие штрихи).
В зависимости от количества делений нониуса действительные
размеры детали можно определить с точностью 0,1; 0,05 и 0,02 мм.
Разберем, каким образом производится отсчет по нониусу. Для
большей наглядности на рис. 7.4 а в увеличенном виде показаны
часть измерительной линейки (штанги) и нониус, длина шкалы
которого равна девяти делениям измерительной линейки, что
47
составляет 9 мм. Эти 9 мм точно разделены штрихами на 10 частей,
каждая из которых, следовательно, равна 0,9 мм.
Так как одно деление измерительной линейки равно 1 мм, а одно
деление нониуса равно 0,9 мм, то можно сказать, что каждое деление
нониуса короче каждого деления измерительной линейки на 1 – 0,9 =
= 0,1 мм.
Рис. 7.5 Построение нониуса и примеры отсчета
а) – шкала нониуса с точностью отсчета 0,1 мм;
б) – отсчет на размер 7 мм; в) – отсчет на размер 6,5 мм.
Эта величина (0,1 мм) обозначает ту точность, которую может
дать рассматриваемый нониус при измерении деталей. При нулевой
установке нониуса (рис. 7.5а), т. е. при плотно сдвинутых
измерительных губках штангенциркуля, нулевые штрихи нониуса и
измерительной линейки совпадают, первый штрих нониуса не
доходит до первого штриха измерительной линейки на 0,1 мм, второй
штрих нониуса не доходит до второго штриха измерительной
48
линейки на 0,2 мм, третий — на 0,3 мм, четвертый — на 0,4 мм и т. д.
Наконец, последний, десятый, штрих нониуса не дойдет до десятого
штриха измерительной линейки уже на 1 мм и совпадет с девятым
штрихом измерительной линейки.
При измерении действительный размер отсчитывается с
помощью нониуса следующим образом: если нулевой штрих нониуса
совпал с каким-либо штрихом измерительной линейки (например с
седьмым), то это деление показывает действительный размер в
миллиметрах (рис. 7.5б).
Если, нулевой штрих нониуса не совпал ни с одним штрихом на
измерительной линейке, то ближайший штрих на штанге слева от
нулевого штриха нониуса показывает целое число миллиметров, а
остальные доли миллиметра соответствуют порядковой цифре
штриха на нониусе (не считая нулевого), который точно совпал со
штрихом измерительной линейки. Это будет число десятых долей
миллиметра, которые надо прибавить к целому числу миллиметров,
чтобы получить действительный размер с точностью до 0,1 мм
(например 6,5 мм на рис. 7.5в).
В штангенциркулях с точностью 0,1 мм отечественного
производства шкала нониуса делается крупнее и равна 19 делениям
измерительной линейки, а не 9, как было рассмотрено выше. Такой
нониус называется растянутым. В этом случае принцип определения
размера, а также величина отсчета по нониусу не изменяются, но
удобство отсчета улучшается, так как каждое деление нониуса равно
не 0,9 мм, а 1,9 мм.
Порядок выполнения работы
1. Получить измерительный инструмент и образцы для замеров.
2. Ознакомиться с правилами работы измерительного
инструмента.
3. Определить инструмент в качестве образцового.
4. Провести измерения образцов последовательно каждым
инструментом и данные записать в таблицу.
5. Вычислить погрешность измерения относительно образцового
инструмента.
6. Результаты записать в таблицу 7.1.
Характеристики инструментов: Образцовый
Наименование ________________ ГОСТ _______________
49
№ ________ погрешность измерения __________ пределы
измерения ____________
Линейка ________ ГОСТ __________ № _________
Погрешность измерения _________ Пределы измерения
________
Штангенциркуль ________ ГОСТ 166-80 № __________
Величина отсчета по нониусу ________ погрешность измерения
_________ Пределы измерения __________
Таблица 7.1
№
образца
Образцовый
Измерение
Измерение
инструмент
линейкой
штангенциркулем
диаметр
длина, мм
диаметр, мм длина, мм диаметр, мм
длина,
,
мм
размер
δ размер δ размер δ размер Δ
мм
1
2
3
4
…
7. На основании выполненных измерений сделать заключение о
точности каждого инструмента.
8. Составить отчет.
50
Лабораторная р абота №8
ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ
В РАСТВОРАХ РН-МЕТРОМ
Цель работы: ознакомиться с методами потенциометрии и рНметрии и дать практические навыки измерения ионов водорода с
помощью рН-метра.
Основные теоретические положения
Потенциометрия (от лат. potentia-сила, мощность и греч. metreoизмеряю), электрохимический метод исследования и анализа веществ,
основанный на зависимости равновесного электродного потенциала
Е
от
термодинамической
активности
а
компонентов
электрохимической реакции: aА + bВ + ... + nе
mМ + рP + Эта
зависимость описывается уравнением Нернста:
EE0 
β
α
RT a A  a B ...
ln m p ,
nF a M  a P ...
(1)
где Е0 стандартный потенциал,
R – газовая постоянная,
Т – абсолютная температура,
F – постоянная Фарадея,
n – число электронов, участвующих в реакции,
a, b, ..., т, р ... – стехиометрические коэффициенты при компонентах
реакции А, В, ..., М, Р (которыми могут быть ионы и молекулы в
жидкой, твердой или газовой фазе). Активности твердых и
газообразных компонентов и растворителей принимают за единицу.
При
потенциометрических
измерениях
составляют
гальванический элемент с индикаторным электродом, потенциал
которого зависит от активности хотя бы одного из компонентов
электрохимической реакции, и электродом сравнения и измеряют
электродвижущую силу (эдс) этого элемента.
В потенциометрии используют гальванические элементы без
переноса, когда оба электрода помещают в один и тот же
исследуемый раствор, и с переносом, когда электроды находятся в
разных растворах, имеющих между собой электролитический
51
контакт. Последний осуществляют таким образом, что растворы
могут смешиваться друг с другом только путем диффузии.
Методы потенциометрического анализа. Принцип действия
потенциометрических анализаторов, относящихся к электрическим
методам измерения, основан на измерении потенциала электрода,
размещенного в электролите, по которому находится концентрация
определяемого компонента анализируемого вещества.
В настоящее время потенциометрические анализаторы
используются для измерения концентраций различных ионов в
жидкостях
(ионометрия),
для
контроля
окислительновосстановительного (редокс) потенциала (редоксметрия), а также в
газовом анализе.
В силу того, что электродный потенциал непосредственно
измерить нельзя, его измеряют косвенным путем по ЭДС
гальванического элемента, составленного из измерительного
(индикаторного) электрода 1 и сравнительного электрода 2 (рис. 8.1).
2
1
3
ЕИ
ЕСР
Рис. 8.1 Схема гальванического элемента.
Оба электрода погружены в исследуемый раствор, протекающий
через ячейку 3. Потенциал измерительного электрода EИ изменяется
при изменении концентрации ионов в анализируемой среде, а
потенциал сравнительного электрода Еср остается постоянным, т.к. он
не зависит от концентрации ионов в анализируемой среде. ЭДС
такого гальванического элемента Е определяется разностью
потенциалов измерительного и сравнительного электродов
52
Е = ЕИ – Еср
(2)
Измерение этой ЭДС при постоянном Еср позволяет получить
информацию о концентрации определяемых ионов анализируемой
жидкости или ее окислительно-восстановительных свойствах.
Сигнал гальванической ячейки связан с величиной рН линейно, а
сама величина является мерой активной концентрации ионов
(г-ион/л).
Концентрация водородных ионов в дистиллированной воде равна
10-7 г-ион/л, и таким же является количество ионов ОН- (вода
диссоциирует на ионы Н+ и ОН-). Поэтому для дистиллированной
воды рН = 7. Растворы с рН < 7 являются кислыми, а растворы с рН
>7 – щелочными.
Для измерения сигналя гальванического элемента используют
измерительные приборы и преобразователи. Основное требования к
этим измерителям – большое входное сопротивление. При измерении
рН и рХ оно должно составлять 500…1000 Мом. На рис. 8.2
приведены схемы потенциометрических анализаторов жидкостей.
Потенциометрический анализатор (рис. 8.2 а) содержит
гальваническую ячейку 3 с измерительным 1 и сравнительным 2
электродами. Измерение сигнала осуществляется специальным
автоматическим потенциометром с реохордом Rр. Питание схемы
производится от источника стабилизированного источника питания 4.
При измерении сигнал гальванической ячейки сравнивается с
падением напряжения на реохорде. Отличием этого потенциометра
заключается в том, что кроме усилителя переменного тока 6,
реверсивного двигателя 7 и других узлов он содержит
электрометрический усилитель 5, имеющий входное сопротивление
600 Мом.
7
4
I
Rp
3
2
+
Ex
-
5
+
6
3
а)
2
1
53
Ех
R
5
4
б)
1
Рис. 8.2 Схемы потенциометрических анализаторов.
Сигнал гальванической ячейки 3 (рис. 8.2б) в процессе измерения
сравнивается с падением напряжения на резисторе R, создаваемом
током I. Ток унифицирован по значению и возникает в выходной
цепи усилителя 4 с высоким входным сопротивлением. Таким
образом, сигнал ячейки преобразуется в унифицированный
промежуточным
преобразователем.
Преобразованный
сигнал
измеряется вторичным прибором 5.
Современные анализаторы позволяют измерять от 0–1 до 0–14
рН, время реакции 15…30 с. Анализаторы рХ имеют диапазон
измерений от 0–1 до 0–5 рХ и время реакции 5…10 мин. Классы
точности 0,5…1,0.
Порядок выполнения работы
Работа выполняется на установке, схема которой приведена на
рис. 8.3.
3
5
2
4
1
Рис. 8.3 Установка для измерения рН
1 – измерительная ячейка; 2 – термометр; 3 – рН-метр;
4 – сравнительный электрод; 5 – измерительный электрод.
1. Промытые и высушенные фильтровальной бумагой электроды
установить в штатив.
2. Подключить измерительный электрод к разъему «ИЗМ» рНметра, сравнительный электрод – к разъему «ВСП». Измерения рН
раствора проводят в режиме «рН-метр – иономер».
54
3. Включить прибор, нажав на кнопку «ВКЛ». На дисплее
появится надпись: «Выбор режима. рН-метр – иономер». Нажать
кнопку «ИОН» и кнопками «<» и «>» выбрать из списка
необходимый ион (рН). На дисплее появится надпись: «рН».
4. Нажать кнопку «ИЗМ». На дисплее появится надпись:
рН 00:02
ххх,х мВ
Начнется измерение ЭДС и отсчет времени измерения. Записать
показания прибора через 1 мин после начала измерений.
5. Провести измерения для различных растворов и температурах.
6. Построить график изменения рН от температуры раствора.
7. Составить отчет.
55