МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Методи та засоби вимірювання неелектричних величин методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

з курсу “Методи та засоби вимірювання неелектричних величин” для студентів базового напрямку 6.051001 "Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології" стаціонарної та заочної форм навчання

Частина 2

Затверджено

на засіданні кафедри

“Інформаційно-вимірювальні

технології”

Протокол № 13 - 2008 / 2009

від 12 червня 2009 р.

Львів – 2009

Методи та засоби вимірювання неелектричних величин: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу “Методи та засоби вимірювання неелектричних величин” для студентів базового напрямку 6.051001 "Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології" стаціонарної та заочної форм навчання. Частина 2 / Укл. Є.С. Поліщук, П.І. Скоропад, П.Р. Гамула – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2009. – 70 c.

Укладачі Поліщук Є.С., канд. техн. наук, проф.,

Скоропад П.І., д-р. техн. наук, проф.,

Гамула П.Р., канд. техн. наук, доц.

Відповідальний за випуск Стадник Б.І., д-р. техн. наук, проф.

Рецензент Яцук В.О., д-р. техн. наук, проф.

ЛАБОРАТОРНA РОБОТA № 7

ДОСЛІДЖЕННЯ ПІРОМЕТРИЧНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ЧАСТКОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Мета роботи – ознайомитись із принципом дії, основним и характерис­ти­ка­ми і областю застосування пірометричних пере­тво­рювачів часткового випромінювання ,а також набути практичні навики з дослі­джен­ня їх функції перетворення

ЗМІСТ РОБОТИ

1. Вивчити принцип дії пірометричних перетворювачів частково­го випромі­ню­ван­ня.

2. Ознайомитись із основними характеристиками і областю за­стосування піромет­рич­них перетворювачів часткового випромінювання.

3. Ознайомитись із завданням і виконати необхідні розрахунки.

4. Експериментально зняти характеристику пірометричного пере­творю­вача, апрок­симувати її інтерполяційною формулою Лагранжа і оцінити похиб­ку іденти­фікації.

5. Оформити звіт.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1. Пірометричні перетворювачі часткового випромінюван­ня.

На сьогоднішній день поряд із традиційними контактними метода­ми вимірю­вання температури широко використовуються безконтактні, або мето­ди вимі­рювання температури тіл за їх випромінюванням (методи пірометрії).

Весь оптичний діапазон спектра випромінювання лежить між λ-ви­проміню­ван­ням і радіохвилями, і знаходиться в межах від 1 нм до 1 мм. Всередині діапазону виділяють інфрачервону область ( λ = 0,78 мкм) , що дає теплове відчуття, видиму область (0,38 ≤ λ ≤0,78 мкм) , що забезпечує зорове відчуття (відчуття кольору) і невидиму ультрафіо­летову область (λ > 0,38 мкм).

В залежності від спектральної чутливості пірометричні перетво­рювачі бу­вають часткового і повного випромінювання, а також спект­рального відношення. Перетворювачі повного випромінювання сприйма­ють теплову дію нагрітого тіла всього частотного спектра його випро­мінювання, а пірометри часткового ви­промінювання - теплову дію лише в певному діапазоні довжин хвиль. Перетворювачі спектрального від­ношення базуються на залежності відношення яскравостей в двох або - декількох спектральних інтервалах від температури.

Серед безконтактних засобів вимірювання температури широкого розповсюдження набув агрегатний комплекс стаціонарних пірометричних перетворювачів і пірометрів випромінювання АПИР-С, що являє собою су­куп­ність первинних пірометричних перетворювачів, вторинних вимі­рювальних при­ладів і необхідних для забезпечення їх роботи допоміж­них пристроїв, об'єднаних в уніфіковані параметричні ряди піромет­ричних перетворювачів Державної сис­те­ми приладів (ДСП). Засоби ви­мірювання АПИР-С призначені як для комп­лектування АСУ ТП, так і для створення локальних систем вимірювання, контро­лю і регулювання тем­ператури методом пірометрії.

В перетворювачах часткового випромінювання як чутливий елемент ви­ко­рис­товується кремнієвий або германієвий фотодіод, а позначають­ся вони абревіатурою ПЧД. Робочий спектральний діапазон перетворю­вачів ПЧД визначається типом світлофільтра і фотодіода і знаходить­ся в межах 0,7...1,6 мкм, 0.8...1.8 мкм

Показник візування визначається як відношення діаметра об'єкта, темпе­ра­туру якого вимірюють, до віддалі від об'єкта до перетворювача.

Пірометричний перетворювач того чи іншого класу (повного чи часткового випромінювання), а також робочий спектральний діапазон вибираються на основі вивчення характеристик об'єкта випромінювання і проміжного середовища. Показання пірометрів повного випромінювання істотно залежать від випромінювальних властивостей поверхонь об'єк­тів випромінювання і використовуються для об'єктів з високим ста­більним коефіцієнтом випромінювальної здатності. Пірометри частко­вого випромінювання застосовуються переважно при обробці металів.

2. Особливості роботи фотодіодних приймачів випромінювання

Фотодіод - найбільш поширений приймач, що застосовується в пі­рометрії випромінювання. Здебільшого фотодіоди використовуються без модуляції потоку випромінювання, що дозволяє значно спростити конст­рукцію перетворювача і підвищити його надійність.

Фотодіоди можуть працювати в двох режимах - фотогенераторному (вентильному) і фотодіодному .

Вольт-амперні характеристики фотодіода показані на рис. 1.

В фотогенераторному режимі відсутнє зовнішнє джерело живлення, а в фотодіодному до фотодіода прикла­дена зовнішня запираюча напруга.

Для фотодіода, ек­ранованого від падаючо­го випромінювання, ха­рактеристика мас вигляд нижньої кривої, а при попаданні на фотодіод випромінювання крива зміщується в залежності від інтенсивності ви­промінювання.

Прямі 1, 2 і 3 відповідають навантажу­вальним прямим відповід­но в генера­торному режимі при великому (1) чи малому (2) опорах на­вантаження, а також в фотодіодному режимі (3).

Схеми включення фотодіодів фотодіодному і фотогенераторному режимах показані на рис. 2.

а) б)

Рис.2. Схеми ввімкнення фотодіодів

При використанні фотодіода в фотодіодному режимі (рис. 2, а) можна отри­мати високу чутливість за рахунок високоомного резисто­ра R_н але фотодіоду влас­тиві значні шуми, а також вплив темпового струму І_т фотодіода, який зале­жить від прикладеної напруги і значно - від зміни температури оточуючого сере­довища ΔІ /ΔТ ≈ 10% / ˚С ).

Для вимірювання випромінювання низького рівня використовується фотоге­не­раторне включення фотодіода, при якому останній сам є дже­релом енергії і не потребує зовнішнього живлення (рис. 2, б).

В схемі фотогенераторного включення фотодіода можливі два гра­ничних ре­жи­ми ро­боти:

а) неробочого ходу, коли R→∞ (пряма 1 на рис. 1 перетво­рюється в горизон­тальну лі­нію);

б) короткого замикання., коли R_н→0 (пряма 2 на рис, 1 пе­реходить в вертикальну лі­нію).

Режим неробочого ходу порівняно з режимом короткого замикання має набагато вищу чутливість, але більш значну залежність струму фо­тодіода від зміни температури оточую­чого середовища (∆U_x/∆Т ≈ 0,3˚С ; ∆І_К3/∆Т ≈ 0,05%/°С).

На відміну від режиму неробочого ходу режим короткого замикан­ня має кращі темпе­ратурну і часову стабільність, а також більш лі­нійну світлову характеристику (залежність струму від освітленості).

Однією з найважливіших характеристик фотодіодних перетворюва­чів є відносна спек­тральна характеристика ,де S_λ = ΔI \ ∆P_λ відношення прирос­ту фото­стру­му до зміни густини монохроматичного потоку з довжиною хвилі λ; S_λmax – максимальне значення монохроматичної чутливості.

Область спектральної чутливості – це область довжин хвиль, в якій в фотодіоді генеру­ється відчутний фото­струм.

Типові відносні спектральні характеристики германієвого (кри­ва 1) і кремніє­вого (крива 2) фотодіодів показані на рис. 3.

Довгохвильова гра­ниця зумовлена шириною забороненої зони напівпровід­ника і для Gе становить приблизно 1,8 мкм, а для Si -1,1 мкм. Короткохвильо­ва границя (приблизно 0,4 мкм) зумовлена тим, що в області коротких хвиль коефі­цієнт поглинання фотонів дуже великий, випромінювання поглинається близько до поверхні, де час релаксації дуже малий. Внаслідок цього фотоносії струму ре­ком­бінують ра­ніше , ніж виходять з поверхневого шару.

Фотодіоди є швидкодіючими приймачами і можуть працювати на частотах, більших за 10⁹ Гц.

3. Основні технічні характеристики і опис конструкції досліджуваного пере­творювача ПЧД

Основні технічні характеристики перетворювача ПЧД-131 градуювання ДГ-11

Діапазон вимірювання 700..1100 ˚С

Клас точності 0,6

Номінальна робоча віддаль 1000 ± 20 мм

Показник візування 1:100

Температура оточуючого середовища :

номінальна 20 ± 5 °С

робоча +5…+50 °С

Робочий спектральний діапазон 0,8...1,8 мкм

Фотодіод (германієвий фотодіод ФД-3А) працює в режимі коротко­го зами­кання. Для зменшення впливу оточуючого середовища фотодіод термоста­това­ний при температурі (39±2)°С. При встановленні перетворювача від об'єкта на від­далі, відмінній від номінальної (1000 мм), мінімальний розмір об'єкта не повинен бути меншим вказаного в табл. 1, в якій приведена залежність лінійних розмірів від віддалі до нього.

Таблиця 1

Віддаль до об'єкта, м	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	4,0
Діаметр об'єкта, мм	20	10	20	ЗО	40	50	70

^{Градуювальна характеристика перетворювача ПЧД-131 градуювання}

^{ДГ-11 приведена в табл. 2.}

Таблиця 2

Градуювальна характеристика перетворювача ПЧД-131 градуювання ДГ-11

№ п/п	Температура абсолютно чорного тіла, °С	Струм короткого замикання фото­діода, мкА	Чутливість, мкА/°С
1	700	2,965	0,042
2	800	7,634	0,069
3	900	16,886	0,124
4	1000	32,146	0,203
5	1100	57,671	0,273

Принципова електрична схема перетворювача пірометричного ПЧД-131 зображена на рис. 4.

Рис. 4 На схемі прийня­тj такі по­зна­чення:

V1-транзистор

ГТ310А ; B1- фотодіод; R1 - опір нагрівача; Х1- вилка РС7; Х2 - ко­лодка.

Опис конструкції перетворювача ПЧД-131

Рис.5. Загальний вигляд перетворювача ПЧД-131

Пірометричний перетворювач зібраний на двох кронштейнах 1 і 8, скріплених між собою гвинтами (рис. 5). На кронштейні 8 кріпиться об'єктив 10, апертурна діафрагма 9 і захисне скло 14, а на крон­штейні 1 - польова діафрагма 7, конденсатор 6, приймач випроміню­вання 3 і окуляр 2, які виставляються згідно оптичної схеми.

Об'єктив складається з лінзи 2, завальцьованої в металеву втулку, яка кріпиться на кронштейні і служить для одержання зобра­ження об'єкта в площині польової діафрагми 7.

Польова діафрагма призначена для одержання заданого показника візування.

Конденсатор 6 складається із втулки і двох однакових лінз, роз­ділених кіль­цем, і призначений для передачі зображення із площини польової діафрагми в пло­щину приймача. Захисне скло 14 служить для захисту оптичної системи від зовнішніх забруднень.

Приймач випромінювання призначений для перетворення світлового потоку в електричний сигнал і складається із фотодіода 4, світло­фільтра 5 і діафрагми 14, які поміщені в термостат 13. Світлофільтр виділяє із потоку випромінювання ту спектральну область, в якій пра­цює фотодіод як сенсор світлового потоку. Для одержання стандартної номінальної статичної характеристики передбачена апер­турна діафраг­ма 10, пересуванням якої підганяється характеристика кожного кон­кретного сенсора до номінальної статичної градуювальної, характерис­тики.

Термостат виготовлений у вигляді двостінного циліндра, між стінками якого по­міщено пінопласт. Встановлювачем температури служить транзистор ГТ310А, сигнал якого використовується для кероування манга­ніновим нагрівником R1 (див. рис. 4).

4. Визначення дійсної характеристики перетворювача ПЧД-1З1 і похибки іден­ти­фікації, обумовленої похибками засобів вимірювань

Дійсну характеристику досліджуваного перетворювача можна визна­чити по­рів­нянням із зразковим за температурною лампою або шляхом ви­мірювання тем­пе­ратури чорного тіла, на яке скерований перетворювач, і вихідного струму перет­во­рювача.

В даній роботі використовується другий спосіб. Очевидно, що похибки вимі­рю­вання як температури, так і вихідного струму, перетво­рювача спри­чинять по­хибку ідентифікації характеристики перетворюва­ча. Оскільки до зразкових засо­бів вимірювань ставиться вимога, щоб вони мали похибку в 3…5 раз меншу від по­хибки досліджуваних, то нормована по­хибка досліджуваного перетворювача не може бути меншою, ніж 3…5 похибок ідентифікації.

Схема дослідження перетворювача зображена на рис. 6.

Дійсну характеристику перетворювача визначають шляхом подання напруги жив­лення з автотрансформатора на електричну піч і вимірю­вання сил струму, що протікає через однозначну міру електричного опору, при заданих температурах, які контролюються термоелектричним перетворю­вачем і потенціометром.

Похибка ідентифікації градуювальної характеристики пірометрич­ного перетво­рю­вача має дві складові:

а) похибку вимірювання струму ;

б) похибку, обумовлену тим , що сама температура встановлюється (ви­мірю­єть­ся) з певною похибкою (тобто струм вимірюється при деякій температурі T_i + ∆Т_i а сила струму І_i присвоюється точці T_i ).

Похибку ідентифікації можна визначити аналогічно до знаходження похиб­ки при непрямих вимірюваннях. Тобто, якщо

І = f( І_i ,T_i ,T ) (1)

де І_i , T_i - відповідно сила струму і температура в даній точці і =1 …n , то

∆I_Σi = (2)

відповідно похибки вимірювання струму і температу­ри та чутливість перетворювача в ній.

Струм I_і визначається шляхом вимірювання цифровим мілівольт­метром спад­ку на­пру­ги U_і на однозначній мірі електричного опору R

Тоді

, (3)

Де – границя допустимої відносної похибки вимірювання напру­ги . мілі­вольтметром; - клас точності зразкового опору R. Основні технічні харак­терис­тики засобів вимірювань подано нижче.

Температура вимірюється за допомогою комплекту, що складається з термо­елек­тричного перетворювача з індивідуальною статичною характерис­тикою пе­ретворення і по­тенціометра, основні технічні характеристики яких приведені нижче.

Тоді

, (4)

де , ΔТ_іП – похибка вимірювання температури обумовле­на похибкою від­повідно ТП і потенціометра; – похибка потенці­ометра при вимірюванні термо-ЕРС що відповідає температурі S_іTП - чутливість градуювальної кривої ТП при температурі Т_і.

Сумарна похибка ідентифікації градуювальної характеристики пі­рометричного перетворювача ПЧД-131 в кожній із точок визначається за формулою

. (5)

ЗАВДАННЯ

1. Визначити похибку ідентифікації характеристики пірометрич­ного перетворювача при температурі T_і , якщо задано технічні харак­теристики використа­них засобів вимірюван­ня температури і струму. Зробити висновки про можливе значення нормованої похибки перетво­рювача.

2. Провести експеримент для визначення дійсної характеристики піромет­ричного пе­ре­творювача. Оцінити похибку ідентифікації. Зроби­ти висновок про можливість присво­єння класу точності перетворювачу. Апроксимувати характеристику інтерполяційною формулою Лагранжа.

ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ

1. Зняти характеристику пірометричного перетворювача при тем­пературах 700, 800, 900, 1000 і 1100 °С спочатку при збільшенні температури до заданої а потім - при змен­шен­ні її до заданої . Дійсне значення вимірювальної напруги, що відповідає заданій темпера­турі, визначається як . Експери­ментальні дані внести в табл.3.

При вивченні характеристики слід звернути увагу на таке:

а) температура АЧТ збільшується поданням напруги живлення з автотрансформатора (U=220 В), а зменшується відключенням напру­ги живлення і вмиканням охолоджуючого вентилятора;

б) пірометричний перетворювач повинен бути встановлений на віддалі 1000 мм, скерований на центр АЧТ і не міняти свого положен­ня під час експерименту;

в) при дослідженні перетворювача ПЧД-131 необхідно вивести тер­мо­стат фотодіода на заданий режим, про що сигналізує мигання світло­діо­да на блоці живлення перетворювача;

г) встановлення необхідної температури АЧТ контролюється термо­електричним перетворювачем і потенціометром. Для контролю, наприк­лад, температури 700 °С, на потенціометрі необхідно виставити ЕРС , де е- номінальне значення ЕРС перетворювача при температурі гарячого злюту 700°С і температурі вільних кінців 0°С (взяти з індивідуальної статичної характеристики перетворення перетворювача);–термо-ЕРС, що відповідає температурі вільних кінців 0 °С перетворювача (взяти з градуювальної харак­те­рис­тики для температури оточуючого середови­ща ).

Коли термо-ЕРС термоелектричного перетворювача досягне значення встанов­ле­ного на потенціометрі, то температура АЧТ досягне заданої, наприклад 700 °С.

2. Обчислити похибку ідентифікації характеристики пірометрич­ного пере­творювача і заповнити табл. 3 експериментальних даних.

№

Ті, °С

ен, мВ

θв ,°С

ек, мВ

SіТП , мВ/°С

ΔТіТП , °С

ΔUiТП , мкВ

ΔТіП ,°С

ΔТі°С

,мВ

,мВ

δUi ,%

R Ом

δ R, %

Ii , мкА

ΔIi, мкА

ΔIΣi , мкА

2. Записати характеристики використаних засобів ви­мірювання.

3. Апроксимувати градуювальну характеристику інтерполяційною фор­мулою Лагранжа та роздрукувати характеристики.

ЗМІСТ ЗВІТУ

1. Завдання.

2. Попередні розрахунки.

3. Схема дослідження.

4. Технічні характеристики використаних засобів вимірювання.

5. Таблиця результатів і формули, по яких визначались значення всіх величин, що подані в таблиці.

6. Роздрук градуювальної характеристики.

7. Висновок згідно поставленого завдання.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Пояснити принцип дії пірометричного перетворювача частково­го випро­мінювання.

2. Який робочий спектральний діапазон пірометричних перетворю­вачів часткового випромінювання?

3. Чим задається спектральний діапазон пірометричних перетво­рювачів часткового випромінювання?

4. Які приймачі використовуються в пірометричних перетворюва­чах часткового випромінювання?

5. Назвати характеристики фотодіодів.

6. Охарактеризувати режими роботи фотодіодів і їх характерис­тики.

7. Що таке похибка ідентифікації характеристики перетворювача і як вона оцінюється ?

ДОДАТКИ

Основні технічні характеристики засобів вимірювань

Цифровий мілівольтметр ВК 2-20

Межі вимірювання	2мВ, 20мВ
Межа основної допустимої похибки
на межі 2 мВ
на межі 20 мВ

де U_i вимірюване значення

Однозначна міра електричного опору

Номінальний опір R, Ом	100
Клас точності δR, %	0,01

Потенціометр ПП-63

Межі вимірювання	25мВ, 50мВ, 100мВ
Основна допустима похибка де Umin=2,5·10^-5B для діапазону 25мВ Umin=5·10^-5B для діапазону 50мВ Umin=10·10^-5B для діапазону 100мВ

Термоелектричний перетворювач ТХА з індивідуальною статичною характеристикою перетворення

T, °С	700	800	900	1000	1100
e, мВ	24,128	33,277	37,325	41,269	45,108
SТП, мВ/°С	0,042	0,041	0,040	0,039	0,038
ΔТТП, °С	2,8	3,2	3,5	3,8	4,2

Номінальна статична характеристика перетворення ТХА в діапазоні 15...30°С

T, °С	15	16	17	18	19	20	21	22
e, мВ	0,597	0,637	0,677	0,718	0,758	0,498	0,838	0,879

продовження

T, °С	23	24	25	26	27	28	29	30
e, мВ	0,919	0,960	1,000	1,041	1,081	1,122	1,162	1,203

Інтерполяційна формула Лагранжа

де х₁,... х_n – виміряні значення аргумента х в точках і=1...n;

у₁,... у_n виміряні значення функції у в точках і=1...n;

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8

ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ВІБРАЦІЙ

Мета роботи – ознайомитись з принципом дії, будовою та застосуванням п'єзоелектричних перетворювачів й отримати прак­тич­ні навики з їх застосування для вимірювання параметрів коливаль­ного руху.

ЗМІСТ РОБОТИ

1. Ознайомитись з основними поняттями віброметрії.

2. Вивчити принцип дії п'єзоелектричних перетворювачів і ознайомитись з їх основними технічними характеристиками (табл. 2.1).

3. Вивчити схеми ввімкнення акселерометрів та їх застосу­вання для вимірювання параметрів коливального руху.

4. Виходячи з заданих викладачем частоти та амплітуди ви­хідного сигналу акселерометра і його чутливості, визначити амплі­туду прискорень і коливань механічної системи та оцінити похибку вимірювань для заданих засобів вимірювань.

5. Виконати експеримент і опрацювати дані.