Потенциометр постоянного тока ПП-63

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра«Автоматизация

технологических процессов »

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

ПИРОМЕТРИЧЕСКОГО МИЛЛИВОЛЬТМЕТРА

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Технические измерения и приборы» для специальности 220301(210200) «Автоматизация технологических процессов и производств»

Астрахань 2006г.

Автор: ассистент каф. АТП Павлова Т.С.

Рецензент: к.т.н., доцент Прохватилова Л.И

Методические указания утверждены на заседании методического Совета специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств»

« 29 » мая 2006 г, протокол № 7.

Цель работы.

1.1. Изучение устройства и принципа действия магнитоэлектрического милливольтметра типа Ш4501.

1.2.Приобретение практических навыков по экспериментальному исследованию милливольтметра типа Ш4501.

1.3. Измерение температуры объекта термоэлектрическим комплектом и оценка точности результата измерения.

Приборы и оборудование.

2.1. При выполнении лабораторной работы используется, щит N3 и N8.

На щите N3 справа размещены (приложение №2):

- сигнальная лампа 1 и выключатель сети 7;

- схема милливольтметра электрическая принципиальная 2;

- милливольтметр Ш45 01 и его клеммы 3;

- таблица 4 «Номинальная статическая характеристика ТЭП типа ХК₆₈»;

- выключатель SA 5 (приложение №2) сопротивления R₁ компенсирующего уст­ройства КТ: в положении выключателя «ВКЛ» к схеме КТ подключено медное сопротивление (термопреобразователь температуры t 1) R₁=10 Ом; при другом положении выключателя к схеме КТ подключается манганино­вое сопротивление в 10 Ом;

- клеммы для подключения МА 6;

- клеммы 8 рабочего ТЭП и сигнальная лампа, индицирующая подключение рабочего ТЭП к стенду (рабочий ТЭП установлен на объекте изме­рения, который встроен в щит N8; когда выключатель 5 находится в положении «ВКЛ» , эдс с рабочего ТЭП поступает на щит №3, где зажигается лампа 8) .

- сигнальная лампа 10 (HL6 (приложение №2.), индицирующая о срабатывании регулирующего устройства MB: если температура объекта не превышает допустимого значения, то лампа горит ( режим работы «норма»);

- сигнальная лампа 9 ( HL7 (приложение №2) устройства (СТ) сигнализации обрыва цепи ТЭП : если в измерительной цепи термоэлектрического комплекта имеет место обрыв ( ТЭП не подключен ), то лампа 9 загорается ( режим работы " обрыв ") ;

2.2. В щит 8 (приложение №2) встроен объект исследования, температуру ко­торого измеряют путем изменения напряжения питания ЛАТРом 10. Контроль изменения напряжения питания осуществляется цифровым вольтметром 13. Температуру объекта можно изменять за счет подклю­чения к сети различного числа секций нагревателя. Переключение сек­ций осуществляют переключателем . Для быстрого охлаждения объекта после его отключения от сети служит вентилятор, включение которого осуществляют переключателем 7. Точное измерение температуры объекта осуществляют при помощи термоэлектрического комплекта в составе об­разцовой термопары (клеммы 6) типа ХК₆₈ и прибора универсального измерительного Р4833 (описание и инструкция по эксплуатации которого прила­гается дополнительно). Перевод измеренной ЭДС в градусы производят по таблице НСХ ХК₆₈.

На объекте также установлен рабочий ТЭП типа ХК_{6 8}, ЭДС которого измеряется цифровым милливольтметром 12. С помощью переключателя (положение "к щиту N3") рабочий ТЭП может отключаться от цифрового милливольтметра ( ЦМВ ) и подключаться к щиту N 3 ( клеммы 8 ) . При этом лампа 8 на щите N3 - загорается.

2.3. В работе также используются магазин сопротивлений R₃, выполняю­щий функцию сопротивления R_У, милливольтметр для контроля тока сра­батывания контактного устройства.

! Внимание: к работе можно приступить только после получения допуска у преподавателя.

Теоретические сведения.

3.1. Простейшим средством измерений, работающим в комплекте с термо­электрическим преобразователем (ТЭП) является милливольтметр маг­нитоэлектрической системы (MB). Магнитоэлектрический милливольтметр (рис. 1) состоит из постоянного магнита 1 подковообразной формы, на концах которого помещены полюсные наконечники 4. а между наконечниками — железный цилиндрический сердечник 5.

Рисунок 1

Схема магнитоэлектрического милливольтметра с термопарой:

1 — постоянный магнит, 2, 6 — спиральные пружинки, 3 —катушка с добавочным сопротивлением, 4 — полюсные наконечники, 5 — сердечник, 7 — опоры, 8 — рамка, 9 — керны,

10 — стрелка, 11— шкала, 12 — клеммы милливольтметра

13 — соединительные (компенсационные) провода, 14 — термопара

Между сер­дечником и наконечниками образуется цилиндрический кольце­вой зазор, в котором находится рамка 8, состоящая из большого числа витков тонкой медной проволоки. Рамка опирается игла­ми (кернами) 9 на две опоры 7.

Магнит создает в кольцевом зазоре постоянное магнитное поле. К двум концам рамки через спиральные пружинки 2 и 6 подводится электрический ток от термопары 14. Протекающий по рамке ток взаимодействует с магнитным полем, вследствие чего рамка вращается в определенном направлении. Вращению рамки противодействует упругая сила пружинок, поэтому рам­ка остановится в некотором положении, определяемом силой тока, проходящего в ней. Вместе с рамкой вращается укреплен­ная на ней стрелка 10. Шкала 11 градуируется в милливольтах и градусах Цельсия (°С).

Взаимодействие магнитного и электрического поля можно описать следующим уравнением:

(1)

где: М_ВР – вращающий момент; k – коэффициент пропорциональности; Ф – магнитный поток; n – число витков подвижной рамки, I – измеряемый ток.

Поскольку

(2)

где: В – индукция в зазоре магнита, S – площадь рамки, то

(3)

Противодействующий момент создаваемый спиральными пружинками описывается следующим образом

(4)

где: М пр – противодействующий момент, W – удельный момент кручения пружинок, α – угол отклонения подвижной системы прибора.

Из формулы (4) следует, что противодействующий момент возрастает пропорционально углу отклонения подвижной системы до тех пор, пока не уравновесится вращающий момент. Считывание показаний прибора производится при установившемся отклонении подвижной системы, когда моменты уравновешены:

Мпр = Мвр (5)

или

(6)

из формулы (6) следует, что угол отклонения подвижной системы прибора

(7)

где: S₁ – чувствительность прибора по току, постоянная величина для данного прибора.

Следовательно, магнитоэлектрический прибор тем чувствителен, чем больше индукция постоянного магнита, площадь рамки и число её витков и чем меньше удельный противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами прибора.

Рис.2 Измерительная цепь милливольтметра

Генерируемая ТЭП термо-ЭДС E(t, t₁) создает в измерительной цепи МВ (рис.2) ток I.

Ток, протекающий через прибор, будет определяться по формуле:

(8)

где: R_T, R_Л, R_М – сопротивления ТЭП, милливольтметра и линии связи ТЭП с МВ, на зажимах МВ действует напряжение

(9)

которое всегда меньше ЭДС ТЭП, что является источником методической погрешности измерения температуры МВ.

Подставляем (8) в (7) получим:

(10)

Откуда следует, что если в процессе измерения величина R_T + R_Л + R_M будет неизменно, то между углом отклонения MB и измеряемой термоЭДС Е( t , t_l ) будет однозначная зависимость и шкалу прибора можно будет проградуировать в градусах.

2.2. Однако сопротивления линии R_Л и R_M зависят от изменения темпе­ратуры окружающей среды t₂, а сопротивление R_T ТЭП от измеряе­мой температуры t.

Это приводит к изменению сопротивления цепи и к появлению допол­нительной погрешности. С целью уменьшения влияния изменения температур t₂ и t на градуировку MB величину сопротивления цепи MВ стабилизируют, для чего последовательно с рамкой MB, сопротивление которой имеет положительный температурный коэффициент сопротивления (TKR), включают добавочный манганиновый регистр Rд, TKR которого равен нулю и термистор R_TC, TKR которого отрицательный (сопротивление Rш линеа­ризует нелинейную характеристику R_TC). Наконец, стабилизация сопро­тивления Rл+Rт обеспечивается тем, что при монтаже милливольтметра значение R_л подгоняют под некоторое постоянное значение (обычно это 5 или 15 Ом - указывается на шкале прибора)_, для чего используют уравнительный дополнительный резистор из манганина.

Надлежащим выбором значений сопротивлений R_Д,R_Л,R_TC и R_Ш добиваются того, чтобы изменения температур t₂ и t не приводилj бы , за счет изменения R_Л и R_M, к появлению дополнительной погрешности измерения, повышающей основную погрешность.

2 . 3. Если температуру t_l свободных концов ТЭП поддерживать неизмен­ной и равной нулю, то реальная номинальная статическая характеристика (НСХ) ТЭП будет соответствовать стандартной. Однако, в производственных условиях, t_l ≠ 0 . В этом случае в резуль­тат измерения необходимо ввести поправку:

E(t₁, t₀)= E(t, t₀)- E(t, t₁) (11)

где: E(t, t₀) - ЭДС ТЭП при температуре свободных концов, равной 0; E(t, t₁)- поправка, определяемая из градуировочных таблиц для дан­ного ТЭП, при температуре рабочего спая t_l, равного температуре сво­бодных концов ТЭП.

Введение поправки требует знания температуры свободных концов ТЭП t_l, которая может изменяться. Для правильной оценки температуры свободных концов ТЭП с помощью термоэлектродных проводов "переносят" в места с более постоянной температурой - обычно на зажимы MB. Термоэлектродные провода должны развивать в соединении с ТЭП термоЭДС, равную термоЭДС ТЭП.

Обычно для термопар из неблагородных металлов, термоэлектродные про­вода изготавливаются из тех же материалов, что и ТЭП.

2...4. Для автоматического введения поправки на изменения температуры
свободных концов ТЭП в MB применяют компенсирующий мост ( устройст­во КТ ) .

КТ представляет собой неравновесный мост, образованный манганиновы­ми R₂,R₃,R₄ и медным R₁ резисторами. Мост, ТЭП и MB (рисунок 3) вклю­чены между собой последовательно. К мосту подводится напряжение 4 В от стабилизированного источника питания ИПС.

Сопротивление R₁ устанавливается обычно на контактной колодке MB на корпусе прибора.

При температуре 0⁰ С мост уравновешен, напряжение в диагонали моста ab равно нулю, a E(t, t₁)соответствует номинальной статической характеристике (НСХ) ТЭП.

При изменении температуры окружающей среды медный резистор изменя­ет свое сопротивление, вследствие чего в диагонали моста появляется сигнал разбаланса U ab, который компенсирует изменение термоЭДС ТЭП. Резистор R₅ служит для подгонки напряжения компенсации в зависимости от НХС ТЭП.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема МВ.

Милливольтметр

Милливольтметр типа Ш 4501 щитовой прибор с двухпозиционным регулирующим устройством магнитоэлектрической системы класса 1,5 предназначен для измерения и двухпозиционного регулирования температуры в комплекте с термоэлектрическими преобразователями номинальной статической характеристики (НХС) преобразования ХК₆₈ МВ рассчитан для работы при температуре окружающего воздуха от 5 до 50 ⁰С и относительной влажности 80 %;

- диапазон измерения МВ с ТЭП, имеющим НХС преобразования ХК ₆₈ , 0-600⁰С.

- МВ имеет устройство КТ компенсации температуры свободных концов ТЭП;

- питание МВ осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В частотой 50Гц;

- основная погрешность МВ на всех числовых отметках шкалы не превышает 1,5% от диапазона измерений;

- вариация показаний МВ не превышает 1,5%;

- погрешность срабатывания регулирующего контактного устройства при напряжении питания 220 В не превышает 2,25 %;

- погрешность компенсации температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя НХС ХК ₆₈ не более 3%;

- изменение показаний МВ, вызванное изменением температуры окружающего воздуха от номинальной 25⁰ С до любой температуры в диапазоне от 5 до 50⁰ С, не превышает 1,5 % на каждые 10⁰ С изменения температуры;

- МВ имеет бесконтактный выходной регулирующий сигнал релейного характера напряжением 12 В ± 10% при токе нагрузки не более 180 ОМ ± 10%, рассчитанной для управления промежуточным реле тока типа ПЭ-23, магнитными усилителями или блоками управления тиристорами;

- МВ имеет встроенное устройство сигнализации обрыва цепи термоэлектрического преобразователя с контактным выходным сигналом (реле типа РЭС 6 с контактами, обеспечивающими коммутацию цепей напряжением 220 В при токе до 0,2 А).

Потенциометр постоянного тока ПП-63

Потенциометр постоянного тока ПП-63 класса 0,05 (ГОСТ 9245-68) предназначен для

а) непосредственного измерения компенсационным методом ЭДС и напряжений;

б) поверки в цеховых условиях технических термопар и вторичных технических приборов, работающих с термопарами (пирометрических милливольтметров и автоматических потенциометров);

в) получение плавно регулируемого напряжения постоянного тока.

-прибор предназначен для работы при температуре воздуха от +10 до 35⁰С и относительной влажности воздуха не более 80%

- пределы измерений, мВ 0-25; 0-50; 0-100.

- погрешность измерений ЭДС и напряжения не превышает значения, определяемого по формуле.

±(5•10^-4 U +0.5 U min ),

где U – данное показание потенциометра,

Umin – цена деления шкалы реохорда;

- пределы измерений напряжений источников регулируемого напряжения

(-1,25)÷0÷25 (мВ)

(-2,5)÷0÷50 (мВ)

(-5)÷0÷100 (мВ)

Рабочие задание

Домашнее задание

- ознакомиться с устройством и принципом действия магнитоэлектрического МВ;

- ответить на контрольные вопросы и подготовить бланк отчета:

- изучить техническое описание МВ и потенциометра.

Лабораторное задание

4.2.1. Ознакомиться с маркировкой на шкале приборов, объяснить условные обозначения.

4.2.2. Провести проверку технического состояния приборов.

- перед началом проверки подготовить потенциометр к работе, для этого органы управления и регулировки на панели прибора должны находится в следующих положениях.

а) переключатель питания и переключатель нормального элемента Н/В в положении В – при использовании внутренних и при положении Н – при наружных источников питания и нормального элемента.

б) переключатель полярности потенциометра «+»/ «-» - в положении «+»,

в) кнопку «ГРУБО» и «ТОЧНО» - в отжатых положениях

Остальные органы управления и регулировки могут находиться в любых положениях;

Провести установку (контроль) рабочего тока потенциометра, для чего;

а) установить переключатель ПИТАНИЕ в положении ВКЛ;

б) установить переключатель К/И в положение К;

в) установить стрелку гальванометра на «0» вращением рукояток реостата РАБОЧИЙ ТОК, вначале при нажатой кнопке ГРУБО, а затем - ТОЧНО (для фиксации кнопок в нажатом состоянии необходимо их головки повернуть вправо или влево);

г) установить переключатель ПИТАНИЕ в положение ВЫКЛ;

- собрать схему согласно рисунку (вместо сопротивления линии используется магазин сопротивления), МВ присоединить к зажимам Х потенциометра.

4.2.2.1. Определение основной погрешности

- установить переключатель РОД РАБОТЫ в положении ПОВЕРКА соответствующее пределу измерений;

- переключатель линии (5) установить при поверке в положении «0»;

- на магазине сопротивлений установить 5 Ом;

- установить переключатель ПИТАНИЕ в положение ВКЛ;

- плавно подвести стрелку прибора к поверяемой отметке шкалы вращением рукоятки реостата НАПРЯЖЕНИЕ;

- измерить напряжение на поверяемом приборе для чего:

а) установить переключатель К/И в положение И;

б) установить стрелку гальванометра на «0» вращением рукояток секционированного переключателя (2) и реохорда (3), в начале при нажатой кнопке ГРУБО, а затем - ТОЧНО;

в) значения измеренного напряжения в милливольтах будет равно сумме показаний шкал секционированного переключателя и реохорда, умноженной на значение множителя, установленного на переключателе пределов потенциометра при помощи штепселя.

- показания снимаются для всех оцифрованных отметок шкалы МВ и заносятся в таблицу 1.

Таблица 1.

Поверяемые отметки шкалы	Значения ЭДС, мВ	Погрешности	Вариация
Е0 по НСХ	Е	∆, Е мВ	Δпр,%	γ	γпр%
Прям ход	Обрат ход	Прям ход	Обрат ход	Прям ход	Обрат ход

Определить основную погрешность

(12)

где Е н– ЭДС (по НСХ для ТЭП типа ХК₆₈) соответствующее диапазону измерения МВ (600⁰ С);

Епр – ЭДС при прямом ходе;

Еоб –ЭДС при обратном ходе.

Проверку вариации проводят одновременно с определением погрешности, вариация определяется как разность напряжений, полученная на потенциометре при плавном увеличении и уменьшении измеряемой величины (для одной и той же числовой отметки шкалы), выраженная в процентах от диапазона измерений.

После проведения эксперимента выключить стенд и потенциометр.

4.2.2.2. Определение погрешности срабатывания.

- для определения погрешности срабатывания контактного устройства к клеммам подключения миллиамперметра (на щите), подключить миллиамперметр;

- установить указатель контактного устройства на поверяемую отметку шкалы;

- включить потенциометр и стенд ;

Таблица 2

Поверяемые отметки шкалы	ЭДС Е, мВ	Погрешности
Е по НСХ	Срабатывание	Отпускание	∆	δ %
Е1	Е2	Е3	Еср	Е1	Е2	Е3	Еот

- плавно подвести стрелку прибора к поверяемой отметке шкалы вращением рукоятки реостата НАПРЯЖЕНИЕ, до получения тока в пределах

180 мА±10% и определяют момент срабатывания Е₁ (для повышения точности снимают несколько показаний, а затем определяют среднее значение), для простоты эксперимента, при срабатывании контактного устройства на стенде гаснет лампа 10;

- измерить, с помощью потенциометра, подаваемое на МВ напряжение;

- эксперимент проводят для трех оцифрованных отметок шкалы;

- результаты опыта заносят в таблицу 2;

- погрешность срабатывания (отпускания) определяют по формулам

(13)

(14)

(15)

(16)

- после проведения эксперимента выключить стенд и потенциометр.

4.2.2.3. Определение дополнительной погрешности от изменения сопротивления линии

- отключить миллиамперметр от щита;

- включить потенциометр в стенд;

- плавно подвести стрелку прибора к поверяемой отметке шкалы вращением рукоятки реостата НАПРЯЖЕНИЕ;

- измерить с помощью потенциометра, подаваемое на МВ напряжение (Е);

- увеличить Rд на 20 % (Rд=18 Ом), вращением рукоятки реостата НАПРЯЖЕНИЕ снова установить стрелку МВ на ту же отметку шкалы, измерить эту ЭДС Е₁);

- уменьшить Rд на 20 % (Rд=12 Ом), проделать тоже что и в предыдущем случае (Е₂);

- результаты опыта занести в таблицу 3 и определить величину дополнительной погрешности, вызванной изменением сопротивления линии Rд

(17)

Таблица 3

Поверяемые отметки шкалы	ЭДС Е, мВ	погрешности
Е по НСХ	Rд=15 Ом	Rд=18 Ом	Rд=12 Ом	Абсолютная	Приведенная %
Е1-Е	Е2-Е

После проведения эксперимента выключить стенд и потенциометр.

4.2.2.4. суммарная инструментальная погрешность термоэлектрического комплекта, состоящего из рабочего ТЭП МВ, составляет

(18)

где ∆tп – допускаемая погрешность градуировки ТЭП для диапазона измеряемых температур до 100⁰ С при температуре свободных концов 0⁰ С для ТЭП типа ХК₆₈;

∆t_МВ – максимальная основная погрешность МВ (по данным таблицы 1)

Суммарная абсолютная погрешность измерения температуры термоэлектрического комплекта ∆К равна:

(19)

где кр –вероятность Р, с которой измеренное значение температуры находится в интервале

(20)

для Р=0,95; кр=1,1

∆t _СБ – субъективная абсолютная погрешность измерения, принимаем что она равна половине цены деления шкалы.

4.2.2.5. Проверка погрешности элемента КТ.

Медный резистор R₁ подключают к схеме (выключатель 5 на щите №3 устанавливают в положение «ВКЛ») и включают сеть 220 В. Через 10 минут замеряют потенциометром величину ЭДС на клеммах устройства КТ. Полученное значение ЭДС соответствует режиму холостого хода. Для нахождения ЭДС под нагрузкой необходимо уменьшить полученное значение на 8,5%.

Найти какой температуре соответствует вычисленное значение ЭДС устройства КТ по НСХ ТЭП, и сравнить эту температуру с температурой окружающей среды. Разница температур является абсолютной погрешностью элемента КТ.

4.2.2.6. Измерение температуры объекта.

Для измерения температуры подключают милливольтметр к клеммам термопары (8). Подают питание на щит №8, включают печь и в течении 10 минут прогревают объект. Затем к клеммам (на щите №8) tx, txo подключают образцовый ТЭП (потенциометр). Выключают печь и ожидают в течении нескольких минут, до наступления термометрического равновесия. Снимают показания с образцового ТЭП Е (t, t₁) и милливольтметра, результаты заносят в таблицу 4.

Таблица 4

Образцовый ТЭП, мВ	Температура окруж. среды t1 , 0 С	Рабочий ТЭП
Е (t, t1)	Е (t1, t0)	Е (t, t0)	tx , 0 С	Температура tx, 0 С	погрешности
				Абсол. ∆tx, 0 С	Привед . δ1%

Так как свободные концы термопары находится не при температуре 0⁰С, то необходимо, для нахождения истиной температуры, ввести поправку

Е (t, t₀)= Е (t, t₁)+ Е (t₁, t₀) (21)

где Е (t, t₀) – истинное значение температуры;

Е (t, t₁) – измеренная термоЭДС, образцовым ТЭП;

Е (t₁, t₀) –поправка на температуру (значение термоЭДС при температуре окружающей среды);

Погрешности расчета рассчитывают по формулам:

∆t = tx - tx₀ (22)

(23)

где tн- диапазон измерения температуры ТЭК (600⁰С)