Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

______________________________________________________

ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Методические указания к выполнению комплекса виртуальных лабораторных работ

Санкт-Петербург

2015

Авторы: С.Л. Поляков, Г.И. Коршунов

Рецензент: доктор технических наук профессор Р.И. Сольницев

Приведены методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Методы и средства измерений, испытаний и контроля».

Предназначены для студентов специальностей «Управление качеством», «Управление инновациями», «Инноватика», «Метрология», выполняющих лабораторный практикум на факультетах: дневном, вечернем и заочном.

Подготовлены кафедрой инноватики и управления качеством и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Лабораторная работа № 1 «Поверка моста сопротивления»

Цель лабораторной работы

Изучение принципа действия и устройства электронного автоматического моста.

Описание принципа действия термометров сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления основан на изменении электрического со­противления проводника при изменении температуры. Зная зависимость сопротивления от температуры, можно по его измере­нию определять температуру среды, в которую помещен термометр сопротивления.

Известно, что при нагреве металлы увеличивают сопротивление от 0,4–0,6% на 1⁰С, а окислы металлов (полупроводники) уменьшают свое сопротивление в 8 – 15 раз по сравне­нию с металлами. Графичес­ки это выглядит так (рис.1).

Рис. 1 – Зависимость сопротивления термометров от температуры

(СU – медный; Pt – платиновый; КМТ – полупроводниковый)

Зависимость сопротивления металлов от температуры в небольшой интервале температур определяется уравнением:

R_t = R_t^’ * [1 + α * (t – t^’)]; (1)

где   R_t – сопротивление металлического проводника при температуре;

R_t^’ – сопротивление того же проводника при температуре;

(t – t^’) – интервал измерения температур;

α – коэффициент температурного сопротивления.

Конструкция электронного автоматического моста и его измерительная схема

Электронные уравновешенные мосты переменного тока предназначены для измере­ния, записи и регулирования (при наличии регулирующего устройства) температуры и других ве­личин, измерение которых может быть преобразовано в изменение активного сопротивле­ния. Прибор сос­тоит из следующих основных блоков: корпуса, каретки с пером, усили­теля, па­нели внешних коммутаций лентопротяжного механизма, регулирующего устройства, изме­рительного механизма.

Терморезисторы - нелинейные резисторы, изготовленные из полупроводниковых мате­риалов, имеющих большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС). У большин­ства терморезисторов ТКС отрицательный (-4,2 до -8,4 %/ ⁰С). Терморезисторы с положитель­ным ТКС называют позисторами.

В зависимости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы раз­деляют:

кобальто-марганцевые КМТ (начальное сопротивление R_н от 22 до 1000 кОм, ТКС от -4.2 до -8.4 интервал рабочих температур от -60 до +180⁰С);

медно-марганцевые ММТ (R_н = 1-220 кОм, ТКС от -2.4 до –5, -10 - +500 ⁰С);

титанобариевые с положительным ТКС - СТ5 (R_н = 0,02 – 0,14 кОм, ТКС = 20,  -20 - +200 ⁰С).

В основу работы электронных автоматических мостов КСМ2 положен нулевой метод измерения сопротивления.

Измерительная схема автоматического электронного равновесного моста КСМ2 представлена на рисунке 2.

Рис. 2 – Измерительная схема автоматического электронного равновесного моста КСМ2

Измерительная схема уравновешенного моста состоит из резисторов, имеющих следующие назначения:

R_p – реохорд,  калиброванное сопротивление;

R_ш – шунтирующее сопротивление, для ограничения тока, протекающего через реохорд;

R_к – резистор для задания верхнего предела измерений;

R_н – резистор для задания начала шкалы;

R₁, R₂, R₃ – постоянные сопротивления;

R_б – сопротивления в диагонали питания, для ограничения тока;

R_t – термометр сопротивления;

R_л – резисторы для подгонки сопротивления линии связи до 2,5 Ом.

К точкам подключен источник питания – напряжение переменного тока 6.3 В. Подключение термометра к прибору производится по трехпроводной схеме. В этом случае сопротивление проводов распределяется между двумя прилегающими плечами моста. Применение трехпроводной схемы для присоединения термометра снижает величину температурной погрешности, вызванной изменением  сопротивления соединительных проводов R_л, вследствие изменения температуры окружающего воздуха.

При изменении температуры контролируемого объекта изменится сопротивление тер­мометра R_t и нарушится равновесие измерительной схемы.

В результате в измерительной диагонали моста появится напряжение разбаланса, которое доводится усилителем до вели­чины, достаточной для приведения в действие двигателя. Таким образом происходит автоматическое включение двигателя различных устройств и механизмов.

Ротор двигателя будет вращаться до тех пор, пока существует сигнал, вызванный разбалансом схемы. Одновременно перемещается указатель прибора по шкале и движок по реохорду до наступления равновесия в измерительной схеме. В момент равновесия измери­тельной схемы поло­жение указателя на шкале определяет значение измеряемой величины, т. е. температуру контролируемого объекта в данный момент времени.

Порядок выполнения работы

Для работы в этой лабораторной работе применяются следующие клавиши: W, S, A, D – для перемещения в пространстве; F2, E – аналоги средней клавиши манипулятора (при первом нажатии берется объект, при последующем – ставится); Ctrl – присесть; F10 – выход из программы.

Левая клавиша мыши (1) - при нажатии и удерживании обрабатывается (поворачивается, переключается) тот или иной объект (рис. 3).

Средняя клавиша (2) - при первом нажатии (прокрутка не используется) берется объект, при последующем – ставится (прикрепляется).

Правая клавиша (3) - появляется курсор–указатель (при повторном - исчезает).

Примечание: При появившемся курсоре невозможно перевести взгляд вверх и стороны.

Рис. 3 – Функции манипулятора

Стартовое положение

Стартовое положение прибора в данной лабораторной работе представлено на рисунке 4.

Рис. 4 - Внешний вид электронного равновесного моста КСМ2 в лаборатории.

Порядок действий

1. Выберите тип преобразователя переключателями на верхней части прибора (Платиновый К=50 Ом).

2. Включите прибор с помощью тумблера.

3. Выставьте исследуемое сопротивление (10 Ом) с помощью регуляторов. При этом стрелка потенциометра отклонится влево или в право

4. Возьмите блокнот и зафиксируйте исследуемое сопротивление, нажав на карандаш.

5. С помощью регуляторов установите стрелку потенциометра на нулевую отметку. Зафиксируйте действительно сопротивление при прямом ходе, нажав на карандаш в блокноте.

6. Снова установите исследуемое сопротивление с помощью регуляторов и зафиксируйте выбор нажав на карандаш в блокноте.

7. С помощью регуляторов установите стрелку потенциометра на нулевую отметку. Зафиксируйте действительно сопротивление при обратном ходе, нажав на карандаш в блокноте.

8. Повторите эксперимент для нескольких значений сопротивления. Результаты измерение занесите в отчет.

Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы в режиме «Платиновый К=50 Ом»:

1 группа – 15 Ом; 23 Ом; 33 Ом; 45 Ом.

2 группа – 17 Ом; 22 Ом; 30 Ом; 47 Ом.

3 группа – 14 Ом; 28 Ом; 35 Ом; 49 Ом.

4 группа – 12 Ом; 21 Ом; 32 Ом; 40 Ом.

5 группа – 11 Ом; 24 Ом; 31 Ом; 42 Ом.

9. После завершения измерений на платиновом преобразователе выключите прибор с помощью тумблера.

10. Выберите тип преобразователя переключателями на верхней части прибора (Медный К=53 Ом).

11. Включите прибор с помощью тумблера и повторите действия с п.3 по п.8. Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы в режиме «Медный К=53 Ом»

1 группа – 18 Ом; 25 Ом; 38 Ом; 51 Ом.

2 группа – 19 Ом; 26 Ом; 36 Ом; 50 Ом.

3 группа – 13 Ом; 29 Ом; 34 Ом; 53 Ом.

4 группа – 16 Ом; 27 Ом; 37 Ом; 48 Ом.

5 группа – 20 Ом; 23 Ом; 40 Ом; 46 Ом.

12. После завершения измерений на медном преобразователе выключите прибор с помощью тумблера.

13. Выберите тип преобразователя переключателями на верхней части прибора (Медный К=100 Ом).

14. Включите прибор с помощью тумблера и повторите действия с п.3 по п.8. Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы в режиме «Медный К=100 Ом»

1 группа – 50 Ом; 61 Ом; 70 Ом; 83 Ом.

2 группа – 52 Ом; 63 Ом; 71 Ом; 85 Ом.

3 группа – 55 Ом; 65 Ом; 73 Ом; 90 Ом.

4 группа – 57 Ом; 67 Ом; 75 Ом; 92 Ом.

5 группа – 59 Ом; 68 Ом; 77 Ом; 95 Ом.

15. После завершения измерений на медном преобразователе выключите прибор с помощью тумблера.

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующее:

1. Краткое описание и принцип действия электронного автоматического моста КСМ2, его электрическая схема.

2. Порядок измерений в одном из режимов.

3. Протокол поверки шкалы прибора в пределах 0 – 100 ºС, согласно таблицы 1.

Основную приведенную погрешность  определяют по формуле:

 = (R_t – R_И)*100% / R_t, (1)

Контрольные вопросы

1. Принцип действия и устройство термометров сопротивления.

2.   Электрическая схема электронного автоматического моста типа КСМ.

Таблица 1 - Протокол поверки шкалы прибора в пределах 0 – 100 ºС

Проверяемое значение измеряемой величины, Rt, Ом	Действительное значение входного сигнала, RИ, Ом		Погрешность поверяемого прибора в процентах нормирующего значения или в единицах измерения					Допустимое значение основной приведенной погрешности, %		Вывод
	При прямом ходе	При обратном ходе	Прямой ход		Обратный ход
					
Платиновый К=50 Ом
1.							15
2.							15
3.							15
4.							15
5.							15
Медный К=53 Ом
1.							15
2.							15
3.							15
4.							15
5.							15
Медный К=100 Ом
1.							10
2.							10
3.							10
4.							10
5.							10