3-я (2) лаб. А.Т.П
..pdf10
При скачкообразном входном воздействии (рис. 5) выходная величина хвых не мгновенно достигает своего максимального значения, а изменяется по экспоненте в соответствии с выражением (11).
Получив экспериментальным путем кривую разгона для любого ТЭП, можно найти постоянную времени Т, проведя касательную к ней в начальной точке, а, взяв отношение хвых к хвх, можно определить и k. В нашем случае k 1, хотя для некоторых элементов систем автоматики, имеющих аналогичные характеристики, k могут быть различными.
Теоретически время, в течение которого хвых для ТЭП достигает нового установившегося значения, равно бесконечности. Практически же считают, что переходный процесс заканчивается за время, примерно равное 3Т. При этом отклонение хвых достигает 95% своего максимального значения, т.е. хвых 0,95 k.хвх. В соответствии с этим при производстве измерений с помощью ТЭП следует помнить, что время достижения выходным параметром установившегося состояния с точностью до 5 % равно 3Т, а с точностью до 1 % – 4,6Т. Отсюда следует, что при выборе ТЭП необходимо помимо прочих характеристик обратить внимание на их инерционность (она равна Т), указываемую в справочной литературе и достигающую 210 с [1, c. 48].
В зависимости от поставленной задачи можно по-разному распорядиться сигналом от ТЭП, несущим измерительную информацию. Если нет необходимости непосредственно наблюдать изменение температуры, то сигнал от ТЭП может быть подан на контактное (или бесконтактное) реле в датчиках-реле температуры, не имеющих шкал. Однако в большинстве случаев для визуализации невидимого глазом выходного сигнала ТЭП применялись и применяются вторичные измерительные приборы, как стрелочные (аналоговые), так и цифровые, к которым можно отнести и ЭВМ.
Наибольшее распространение на производстве получили аналоговые милливольтметры и потенциометры. Не в последнюю очередь на это повлияло и то, что сигнал от ТЭП является аналоговым и естественным, хотя в последнее время стали появляться
11
ТЭП с унифицированными выходными сигналами, например ТХАУ Метран-271и ТХАУ Метран-271-Ех [3, c. 34].
4.2. Милливольтметры
Милливольтметры представляют собой приборы магнитоэлектрической системы. Принцип их действия показан на рис. 6. Подаваемое на вход прибора напряжение постоянного тока от первичного измерительного преобразователя (в нашем случае ТЭДС от ТЭП) вызывает протекание тока I во вращающейся в магнитном поле постоянных магнитов 1 рамке 2, которая в зависимости от величины I поворачивается на определенный угол . Связанная с ней стрелка 3 позволяет фиксировать это на шкале 4, которая является равномерной, т.к.
|
с I |
или |
|
с Е, |
(12) |
|
|
|
|
где с – конструктивная постоянная прибора. |
|
|
||
|
|
Рис. |
6. |
Конструктив- |
|
|
ная схема милливольтмет- |
||
|
|
ра: 1 – постоянные магни- |
||
|
|
ты; 2 – рамка; 3 – стрелка; |
||
|
|
4 – шкала |
|
|
Обычно шкалы промышленных милливольтметров проградуированы в градусах Цельсия и предназначены для работы со строго определенными НСХ ТЭП, тип которых указан на шкале прибора, например ХК(L). Милливольтметры прямого преобразования не имеют устройств для записи, однако могут снабжать-
12
ся устройствами для регулирования не только позиционного, но и более сложного типа (П, ПИ, ПИД), а также блоками аварийной сигнализации и устройствами температурной компенсации.
Самопишущие приборы отличаются от показывающих наличием устройства для записи: ими снабжаются автоматические приборы следящего уравновешивания, к которым относятся и так называемые автоматические потенциометры.
4.3. Милливольтметры (потенциометры) автоматические
Функциональная схема одноточечного показывающего потенциометра изображена на рис. 7. Измерение производится компенсационным методом.
Измеряемая ТЭДС ТЭП 1 сравнивается с напряжением в диагонали АВ мостовой схемы R1 - R4. В диагональ СD включен источник стабилизированного питания постоянным током 3.
При работе потенциометра разность ТЭДС и напряжения, снимаемого с диагонали АВ мостовой схемы, подается на вход электронного усилителя 4. Если измеряемая ТЭДС равна этому напряжению, то к усилителю подводится нулевой сигнал и при этом вся система находится в равновесии.
Рис. 7. Функциональная схема показывающего автоматического потенциометра
13
При изменении ТЭДС равновесие системы нарушается и на вход усилителя подается напряжение разбаланса. Последнее преобразуется, усиливается и приводит в действие реверсивный электродвигатель 5, который перемещает ползунок реохорда 2 до момента, когда разность между измеряемой ТЭДС и напряжением на диагонали АВ станет равной нулю. С двигателем также связана указательная стрелка 6, перемещающаяся относительно шкалы.
Таким образом, схема на рис. 7 представляет собой электромеханическую следящую систему, автоматически уравновешивающую измеряемую ТЭДС. Именно поэтому потенциометр и называется автоматическим.
Самопишущие приборы отличаются от показывающих наличием записывающего устройства, которое на схеме не указано. Диаграмма позволяет не только документировать протекание технологического процесса, но и исследовать его динамику. Типичными представителями автоматических самопишущих потенциометров являются приборы типов КП, КМ и КС.
Следует отметить, что применение микросхем позволяет создавать более рациональные конструкции приборов следящего уравновешивания, например такие, как РП 160 и ДИСК-250. Любой из вышеупомянутых приборов может иметь ряд дополнительных устройств.
Помимо аналоговых измерительных приборов все шире используются и цифровые записывающие, и имеющие память, как например регистраторы типа LOGOSCREEN, устанавливаемые на щите.
5. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Технические средства и приборы для выполнения работы размещены на типовом вертикальном металлическом щите и боковой панели в соответствии с рис. 8.
Объектами исследований являются два различной конструкции и размеров термоэлектрических преобразователя 5 и 7, но имеющих одинаковые НСХ, типа ХК(L). Оба ТЭП могут поочередно, благодаря переключателю 3, присоединяться к одному из измерительных приборов: мультиметру 9 или же записывающему автоматическому потенциометру 6.
14
Имитация ступенчатого воздействия на ТЭП осуществляется с помощью нагревателя сопротивления 12, выполненного в виде стакана и надеваемого в предварительно разогретом состоя-
нии на конец (рабочий спай) одного из ТЭП.
Рис. 8. Внешний вид стенда и расположение на нем технических средств измерения: 1 – выключатель сетевой; 2 – переключатель ТЭП; 3 – переключатель измерительных приборов; 4 – выключатель нагревателя; 5
– ТЭП малый; 6 – автоматический записывающий потенциометр КСП1; 7 – направляющая; 8 – проводка силовая; 9 – мультиметр; 10
– траверса; 11 – винт крепежный; 12 – нагреватель сопротивления; выбор объекта исследования производится переключателем 2
Для фиксации нагревателя на конце нужного ТЭП используется механическое устройство, состоящее из направляющей 7 с шарнирно-поворачивающейся на ней траверсой 10 и фиксируемой винтом 11. Включение (отключение) питания (220 В) стенда производится сетевым выключателем 1 с подсветкой, а подключение нагревателя (36 В) – выключателем 4. Все положения переключателей имеют соответствующие надписи.
6. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Внимательно изучить настоящие методические указания и с их помощью ознакомиться с устройством учебного стенда, размещением оборудования и приборов.
Для получения экспериментальные данных, требуемых для построения переходной характеристики ТЭП, необходимо запастись часами, желательно электронными с показаниями в секун-
15
дах, т.к. кривая разгона малоинерционного ТЭП (поз. 5 на рис. 8) в начальной стадии нарастает достаточно быстро, а также подготовить заранее таблицу в соответствии с представленной ниже формой.
ТЭП-1
ТЭП-2
Охлаждение Нагрев Охлаждение Нагрев
показания прибора, мВ
время, *
температура, С
показания прибора, мВ
время, *
температура, С
показания прибора, мВ
время, *
температура, С
показания прибора, мВ
время, *
температура, С
* Время указывается с точностью до секунды.
Поскольку тепловые процессы весьма инерционны, для исполнения могут быть предложены варианты экспериментов с ТЭП.
Установить выключатель 1 в положение šIŸ (см. рис. 8). При этом должна загореться подсветка. Отметив время, подать питание на нагреватель 12, установив выключатель 4 в положение šВклŸ, и проследить, чтобы нагреватель не находился ни под одним из ТЭП.
По истечении 15 мин прогрев нагревателя завершается и можно начинать эксперимент. Рекомендуется начинать с ТЭП 1 (поз. 13) (положение переключателя 2 – ТЭП 1) как наиболее инерционного и дающего возможность весьма просто получить навыки снятия экспериментальных данных.
16
Отжав винт 11, развернуть и подтянуть по направляющей 7 нагреватель 12, разместив его под торцом ТЭП 1 (до упора в днище нагревателя), после этого винт закрутить. Эта операция вызывает ступенчатое возрастание нагрузки (скачок температуры) на ТЭП, что и является условием снятия его переходной характеристики. Момент времени и температуру по шкале милливольтметра 9 зафиксировать, занеся в таблицу. После того как ТЭП начинает нагреваться, начала возрастать и ТЭДС, отображаемая на шкале в виде соответствующих значений в милливольтах.
Прекращение заметного роста температуры (показаний мультиметра) является сигналом для окончания данного эксперимента. Нагреватель снимается с ТЭП и отводится в сторону. Таким образом формируется резкое снижение нагрузки (своеобразный скачок) на ТЭП. На разогретый ТЭП в этом случае воздействует уже окружающая среда с соответствующей температурой.
Отмечается начало этой операции и отслеживается реакция ТЭП на такое воздействие. Отсчеты, равно как и их окончание, ведутся по вышеизложенной методике.
Аналогичные действия произвести и с другим ТЭП, для чего предварительно установить переключатель 2 в положение šТЭП 2Ÿ, а разогретый нагреватель надеть до упора на рабочую часть малого ТЭП (поз. 5). В этом случае можно получить данные для построения переходной характеристики ТЭП, обладающего значительно меньшей инерционностью. Снимая данные при охлаждении последнего ТЭП (нагреватель отведен в сторону), следует отключить питание нагревателя (положение выключателя 4 šвыклŸ), а при окончании замеров и питание стенда (положение выключателя 1 – š0Ÿ с отсутствием его подсветки).
Перевод полученных данных в милливольтах в градусах Цельсия осуществляется по градуировочной таблице, приведенной в конце настоящих методических указаний.
Приступить к составлению отчета и подготовке к ответам на контрольные вопросы. Построение переходных характеристик ТЭП как при нагреве, так и при охлаждении производить в одном квадранте, совместив оси в одной точке.
17
Градуировочная таблица термоэлектрических преобразователей (термопар) типов ХК(L)
Темпе- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ратура |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
рабочего |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
спая, ÀС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Градуировка, мВ |
|
|
|
|
||
0 |
0 |
0,07 |
0,13 |
0,20 |
0,26 |
0,33 |
0,39 |
0,46 |
0,52 |
0,59 |
10 |
0,65 |
0,72 |
0,78 |
0,85 |
0,91 |
0,98 |
1,05 |
1,11 |
1,18 |
1,24 |
20 |
1,31 |
1,38 |
1,44 |
1,51 |
1,57 |
1,64 |
1,70 |
1,77 |
1,84 |
1,91 |
30 |
1,98 |
2,05 |
2,12 |
2,18 |
2,25 |
2,32 |
2,38 |
2,45 |
2,52 |
2,59 |
40 |
2,66 |
2,73 |
2,80 |
2,87 |
2,94 |
3,00 |
3,07 |
3,14 |
3,21 |
3,28 |
50 |
3,35 |
3,42 |
3,49 |
3,56 |
3,63 |
3,70 |
3,77 |
3,84 |
3,91 |
3,98 |
60 |
4,05 |
4,12 |
4,19 |
4,26 |
4,33 |
4,41 |
4,48 |
4,55 |
4,62 |
4,69 |
70 |
4,76 |
4,83 |
4,90 |
4,98 |
5,05 |
5,12 |
5.20 |
5,27 |
5,34 |
5,41 |
80 |
5,48 |
5,56 |
5,63 |
5,70 |
5,78 |
5,85 |
5,92 |
5,99 |
6,07 |
6,14 |
90 |
6,21 |
6,29 |
6,36 |
6,43 |
6,51 |
6,58 |
6,65 |
6,73 |
6,80 |
6,87 |
100 |
6,95 |
7,03 |
7,10 |
7,17 |
7,25 |
7,32 |
7,40 |
7,47 |
7,54 |
7,62 |
110 |
7,69 |
7,77 |
7.84 |
7,91 |
7,99 |
8,06 |
8,13 |
8,21 |
8,28 |
8,35 |
120 |
8,43 |
8,50 |
8,58 |
8,65 |
8,73 |
8,80 |
8,88 |
8,95 |
9,03 |
9,10 |
120 |
9,18 |
9,25 |
9,33 |
9,40 |
9,48 |
9,55 |
9,63 |
9,70 |
9,78 |
9,85 |
140 |
9,93 |
10,00 |
10,08 |
10,16 |
10,23 |
1031 |
10,38 |
10,46 |
10,54 |
10,61 |
150 |
10,69 |
10,77 |
10,85 |
10,92 |
11,00 |
11,08 |
11,15 |
11,23 |
11,31 |
11,38 |
160 |
11,46 |
11,54 |
11,62 |
11,69 |
11,77 |
11,85 |
11,93 |
12,00 |
12,08 |
12,16 |
170 |
12,24 |
12,32 |
12,40 |
12,48 |
12,55 |
12,63 |
12,71 |
12,79 |
12,87 |
12,95 |
180 |
13,03 |
13,11 |
13,19 |
13,27 |
13,36 |
13,44 |
13,52 |
13,60 |
13,68 |
13,76 |
190 |
13,84 |
13,92 |
14,00 |
14,08 |
14,16 |
14,25 |
14,33 |
14,41 |
14,49 |
14,57 |
200 |
14,65 |
14,73 |
14,81 |
14,89 |
14,98 |
15,06 |
15,14 |
15,22 |
15,30; |
15,38 |
210 |
15,47 |
15,55 |
15,63 |
15,71 |
15,79 |
15,88 |
15,96 |
16,04 |
16,12 |
16,20 |
220 |
16,29 |
16,37 |
16,45 |
16,53' |
16,61 |
16,70 |
16,78 |
16.86 |
16,94 |
17,02 |
230 |
17,11 |
I7,19 |
17,27 |
17,36 |
17,44 |
17,52 |
17,61 |
17,69 |
17,77 |
17,86 |
240 |
17,94 |
18,02 |
18,10 |
18,18 |
18,27 |
18,35 |
18,43 |
18,51 |
18,60 |
18,68 |
250 |
18,76 |
18,84 |
18,92 |
19,01 |
19,09 |
19,17 |
19,26 |
19,34 |
19,42 |
19,51 |
260 |
19,59 |
19,67 |
13,75 |
19,84 |
19,92 |
20,00 |
20,09 |
20,17 |
20,25 |
20,34 |
270 |
20,42 |
20,60 |
20,58 |
20,66 |
20,74 |
20,83 |
20,91 |
20,99 |
21,07 |
21,15 |
280 |
21,24 |
21,32 |
21,40 |
21,49 |
21,57 |
21,65 |
21,73 |
21,82 |
21,90 |
21,98 |
290 |
22,07 |
22,15 |
22,23 |
22,32 |
22,40 |
22,48 |
22,57 |
22,65 |
22,73 |
22,81 |
300 |
22,90 |
22,98 |
23,07 |
23,15 |
23,23 |
23,32 |
23,40 |
24,39 |
23,57 |
23,66 |
310 |
23,74 |
23,83 |
23,91 |
24,00 |
24,08 |
24,17 |
24,25 |
24,34 |
24,42 |
24,51 |
320 |
24,59 |
24,68 |
24,76 |
24,85 |
24,93 |
25,02 |
25,10 |
25,19 |
25,27 |
25,36 |
330 |
25,44 |
25,53 |
25,61 |
25,70 |
25,78 |
25,86 |
25,95 |
26,03 |
26,12 |
26,21 |
340 |
26,30 |
26,38 |
26,47 |
26,55 |
26,64 |
26,73 |
26,81 |
26,90 |
26,98 |
27,07 |
350 |
27,15 |
27,24 |
27,32 |
27,41 |
27,49 |
27,58 |
27,66 |
27,75 |
27,83 |
27,92 |
360 |
28,01 |
28,10 |
28,19 |
28,27 |
28,36 |
28,45 |
28,54 |
28,62 |
28,71 |
28,80 |
370 |
28,88 |
28,97 |
29,06 |
29,14 |
29,23 |
29,32 |
29,40 |
29,49 |
29,58 |
29,66 |
380 |
29,75 |
29,83 |
29,92 |
30,00 |
30,09 |
30,17 |
30,26 |
30,34 |
30,43 |
30,52 |
390 |
30,61 |
30,70 |
30,79 |
30,87 |
30,96 |
31,05 |
31,13 |
31,22 |
31,30 |
31,39 |
400 |
31,48 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Почему термоэлектрический преобразователь называется так, а не иначе?
2.При каких условиях ТЭП (термопара) может быть использована для измерения температуры, а не является просто мотком проводов?
3.Чем отличается рабочий спай от свободных спаев?
4.Что такое номинальные статические характеристики ТЭП
икак их получают?
5.Переходные характеристики ТЭП: что это такое?
6.Проиллюстрируйте характер подъема столбика ртути (температуры) в стеклянном термометре.
7.Каков принцип работы простейшего милливольтметра и почему в настоящей работе на шкале у него указаны не милливольты, а градусы Цельсия?
8.Являются ли графики переходных характеристик каждого ТЭП, снятых при нагреве, зеркальным отражением аналогичных характеристик, снятых при охлаждении? Объясните свою позицию.
9.Можно ли для проведения настоящих исследований использовать милливольтметр, на шкале которого указаны в качестве единиц милливольты? Ответ мотивировать.
10.Объясните варианты использования измерительной информации, поступающей от ТЭП.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Промышленные приборы и средства автоматизации: справочник / под ред. В. В. Черенкова. – Л. : Машиностроение; Ленингр. отд-ние, 1987. – 847 с.
2.Кузнецов, Н. Д. Сборник задач и вопросов по теплотехническим измерениям и приборам / Н. Д. Кузнецов, В. С. Чистяков. – М. : Энергоатомиздат, 1985. – 472 c.
3.Лапшенков, Р. И. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. Технические средства и лабораторные работы / Р. И. Лапшенков, Л. М. Полоцкий. – М. : Химия, 1988. – 466 с.
19
Составители ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ СТАРОВОЙТОВ
НАДЕЖДА МИХАЙЛОВНА ШАУЛЕВА
ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Методические указания к лабораторной работе по дисциплинам šАвтоматизация систем водоснабжения и водоотведенияŸ
для студентов специальности 270112, šУправление техническими системамиŸ для студентов специальности 150402, šСистемы управления химико-технологическими процессамиŸ для студентов специальностей 240301, 240401, 240403, 240502 всех форм обучения
Печатается в авторской редакции
Рецензент И. А. Лобур.
Подписано в печать 26.01.2010. Формат 60 84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 110 экз. Заказ
ГУ КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография ГУ КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А.