Общие сведения. Лабораторный практикум по одноименному курсу

В.И. БАКАЛЕНКО, В.Б. МИХАЙЛОВ

МЕТРОЛОГИЯ И ТИО

Лабораторный практикум по одноименному курсу

Минск 2007
ВВЕДЕНИЕ

Измерения являются обязательной составляющей любого современного производственного процесса, цель которой получение оперативной и достоверной информации. От того, как выполнены измерения, зависят качество продукции, эффективность систем управления и защиты, работоспособность технологического оборудования, безопасность персонала и многое другое.

Несмотря на то, что главная цель метрологии – науки об измерениях, обеспечить выполнение экспериментального процесса с требуемой точностью и известной вероятностью, многие положения требуют глубокого философского осмысления. По этой причине вопросами метрологии занимались многие выдающиеся ученые всех времен: Галилео Галилей, Леонардо да Винчи, Кельвин, Д.И. Менделеев и др. Современная теоретическая метрология, опираясь на многие естественные науки, все более широко использует положения теории вероятности и математической статистики.

Основным элементом, с помощью которого выполняются измерения, являются средства измерений (СИ). За последние несколько десятилетий СИ из простых устройств с механическими узлами превратились в сложные микропроцессорные измерительные системы, которые характеризуются широким набором функций и значительно улучшившимися метрологическими характеристиками. Соответственно, более высокие требования предъявляются и к метрологическому обеспечению СИ, одной из задач которого является испытания СИ и их поверка.

Целью настоящего лабораторного практикума является ознакомление будущих специалистов в области автоматизации с устройством и принципом действия наиболее распространенных в химической промышленности СИ, а также приобретение ими практических навыков в работе с приборами и определении их метрологических характеристик.

Лабораторная работа № 1

Исследование метрологических характеристик потенциометров КСП – 4 и ДИСК – 250

Цель работы: ознакомление с принципом действия, конструкцией и характеристиками термоэлектрических преобразователей (ТЭП), вторичных приборов ДИСК – 250 и КСП – 4 и определение их метрологических характеристик.

Общие сведения

Измерение температуры с помощью ТЭП основано на термоэлектрическом эффекте, открытом Зеебеком в 1821 г., в соответствии с которым в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения проводников (спая) находятся при разной температуре.

Цепь, состоящая из двух разнородных проводников (термоэлектродов), называется термопарой (рис.1). Спай с постоянной температурой t₀ называется холодным, а спай, измеряющий температуру t₁, называется горячим. При размыкании такой цепи на её концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Возникновение термоЭДС объясняется тем, что разные металлы обладают различной работой выхода электронов, вследствие чего различаются и концентрации свободных электронов – носителей заряда. В месте контакта проводников наблюдается переход части электронов из одного металла в другой под действием разности концентраций. При этом один из металлов приобретает объемный положительный заряд, а другой – отрицательный. Это в свою очередь приводит к возникновению электрического поля, препятствующего движению электронов в одном направлении и способствующего движению в противоположном направлении. Динамическому равновесию соответствует контактная ЭДС, зависящая от разности концентраций свободных электронов (т.е. свойств термоэлектродов) и, в конечном счёте, от температуры. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, также приводящая к возникновению разности потенциалов на их концах. Таким образом, два этих фактора являются слагаемыми результирующей термоЭДС. Термоэлектрод (А), от которого в спае с меньшей температурой течет ток к другому термоэлектроду, принято считать положительным, а другой (В) – отрицательным.

Контактные термоЭДС при равных условиях (одинаковые температуры спаев) равны по величине и направлены навстречу друг другу, т. е.:

(1)

Если температуры спаев отличаются друг от друга, то результирующая термоЭДС контура равна сумме контактных термоЭДС с учетом направления обхода контура:

(2)

или, с учётом (1):

(3)

Выражение (3) представляет собой основное уравнение ТЭП, из которого следует, что термоЭДС зависит от разности функций температур t₁ и t₀. Если обеспечить t₀ = const, то:

и (4)

Как правило, в качестве t₀ принимают 0°С и по зависимости (4) путём измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура t₁ в объекте измерений. Если температура холодного спая t₀ не равна 0, то необходимо вводить соответствующую поправку.

В общем случае любые два разнородных проводника могут использоваться в качестве термоэлектродов, однако на практике используется ограниченное сочетание сплавов, обладающих наилучшими метрологическими характеристиками. Ввиду значительной нелинейности статической характеристики ТЭП, ее задают в виде таблиц. В соответствии с ГОСТ 3044–84 выпускается шесть типов технических термопар, характеристики которых приведены в табл. 1. Каждая из термопар имеет свои преимущества и недостатки:

· ТХК.Обладают наибольшей чувствительностью и высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах. Недостаток: высокая чувствительность к деформациям;

· ТХА. Обладают наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах;

· ТПП. Обладают хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах, и высокой надежностью при работе в вакууме. Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах. Недостаток – высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации;

· ТВР. Обладают возможностью длительного применения при температурах до 2200°С в неокислительных средах и устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте. Недостаток – плохая воспроизводимость термоЭДС.

Таблица 1.

Тип	Условное обозначение	Еав(100,0), mV	Материал электрода	Диапазон измерений, °С
положительного	отрицательного	от	до
ТМК	МК(М)	~4,0	Медь	Константан (55% Сu+45% Ni,Mn, Fe)	–200
ТХК	XK(L)	6,842	Хромель	Копель	–200
ТХА	ХА(К)	4,095	Хромель	Алюмель
ТПП	ПП(s)	0,643	Платино–родий, (Рt – 10%)	Платина
ТПР	ПР30/6(В)	0,431 (300,0)	Платино-родий (Rd – 30%)	Платино–родий Rd6%
ТВР	ВР5/20–1(А)	1,337	Вольфрам–рений, (Re – 5%)	Вольфрам–рений, (Re – 20%)

Примечание. Ориентировочный состав термоэлектродов: хромель (90,5% Ni + 9,5% Сг); алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co); копель (56% Сu + 44% Ni).

Пределы допускаемых отклонений термоЭДС от номинального значения могут быть определены по формулам:

XK(L) 0,20 + 0,52 10^–3(t – 300) 300 < t < 800,

XA(K) 0,140 + 0,22 10^–3(t – 300) 300 < t < 1300,

ПП(S) 0,008 + 2,69 10^–5(t – 300) 300 < t < 1300,

ПР(В) 0,009 + 3,14 10^–5(t – 300) 300 < t < 1800,

ВР(А) 0,08 + 3,8 10^–5(t – 1000) 1000 < t < 1800.

ТЭП выпускаются следующих исполнений: погружные и поверхностные; обыкновенные, водозащищенные, взрывобезопасные; малой, средней и большой инерционности. Устройство промышленной термопары показано на рис. 2.

Термоэлектроды 1 изолируются друг от друга керамическими бусами 2 или керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим — подсоединяются к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помещаются в защитный чехол 4. Чехол изготавливается из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур – из керамики или кварца. Длина монтажной части термопар изменяется от нескольких сантиметров до 3 метров.

Измерение термоЭДС.Как видно из табл.1. термоЭДС очень мала, и измерить ее с высокой точностью достаточно сложная задача. Поэтому используются милливольтметры или потенциометры. Наиболее широко применяются компенсационные потенциометры, принцип действия которых основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения. Принципиальная электрическая схема потенциометра показана на рис. 3.

В схеме можно выделить 3 контура:

I – контур рабочего тока,

II – измерительный контур,

III – контрольный контур.

Контур I состоит из источника питания E_п, резистора регулировки рабочего тока R_б, контрольного резистора R_к и реохорда R_р.

Рабочий ток I_р, протекающий в контуре I равен:

, (5)

где E_п и – напряжение и внутреннее сопротивление источника питания.

Контур II включает R_K, нормальный элемент Вестона (E_нэ) и нуль прибор НП. Нормальным элементом называют источник постоянного тока, имеющий напряжение (1,0186–1,0193)В, которое, при условии, что ток потребления кратковременный и не превышает 10 mA, может сохраняться в течение нескольких лет.

Контур III состоит из термопары, реохорда R_р и НП.

При установке ключа в положение И электрическая схема состоит из двух контуров: Iи II. Для измерительного контура II на основании второго закона Кирхгофа можно записать:

или

, (6)

где – общее сопротивление ТЭП и присоединительных проводов, – сопротивление нуль–прибора.

Из уравнения (6) получим:

. (7)

В процессе измерений, изменяя сопротивление R_аб, добиваются состояния компенсации, при котором ток в контуре II равен нулю. При этом стрелка НП устанавливается в нулевое положение. Тогда:

, (8)

т.е. термоЭДС термопары E(t₀,t₁) определяется величиной падения напряжения на участке сопротивления R_аб и не зависит от сопротивлений НП и внешней цепи.

Связав жестко ползун П со стрелкой, скользящей по шкале ШК, по её положению в момент полной компенсации можно определить температуру, если шкала отградуирована в градусах.

Однако для того, чтобы одно и тоже положение ползуна в момент полной компенсации точно соответствовало одной и той же величине измеряемой термоЭДС, необходимо обеспечить постоянство рабочего тока I_Р. Чтобы изменение напряжения источника Е_П (например, вследствие разряда батареи) не вносило погрешность в измерения, предусмотрена контрольная цепь, позволяющая периодически контролировать величину рабочего тока и при необходимости подстраивать его. Для этого переключатель устанавливают в положение К (контроль). Термопара отключается от схемы, а нормальный элемент подключается так, что его напряжение сравнивается с падением напряжения на контрольном сопротивлении R_K. Величина R_K выбирается так, чтобы при протекании по нему стандартного рабочего тока I_Р прибора, соблюдалось равенство:

. (9)

Этому равенству также соответствует отсутствие тока в цепи НП. Если равенство (9) не выполняется, то, перемещая движок резистора R_б, изменяют величину рабочего тока до тех пор, пока стрелка НП не установится на нуль.

Учитывая (8) и (9) можно записать:

(10)

При равномерной намотке реохорда сопротивления его участков пропорциональны соответствующим длинам и тогда:

(11)

Таким образом, измерение термоЭДС сводится к измерению длины l_абучастка реохорда, который проградуирован в единицах температуры.

По рассмотренной схеме работают неавтоматические потенциометры ПП – 63 и Р – 363, имеющие классы точности 0,05 и 0,001 соответственно и использующиеся при лабораторных и научных исследованиях.

КСП – 4: Автоматический потенциометр КСП – 4 работает в комплекте с термоэлектрическими преобразователями или источниками постоянного напряжения, а также телескопами радиационных пирометров суммарного излучения. Сопротивление первичных преобразователей, включая сопротивление линии связи, не должно превышать 200 Ом. Прибор может быть одноканальным и многоканальным. Принципиальная электрическая схема потенциометра приведена на рис. 4.

ТермоЭДС E(t, t₀) сравнивается с напряжением в измерительной диагонали неуравновешенного моста U_K. Разность напряжений поступает на усилитель, к выходу которого подключен реверсивный двигатель.

С_ф, R_ф – фильтр для устранения наводок токов промышленной частоты; U_п – стабилизированный источник питания 5В; R_P – реохорд; R – шунт; R_n – подгоночное сопротивление; R_y – резистор для установки тока I_a; R_м – медное сопротивление для температурной коррекции; R_K – резистор, который выбирается так, чтобы падение напряжения на нём соответствовало ЭДС нормального элемента – 1,0186 В; R_H и R_б служат для установки начала шкалы и тока I₁.

На вход усилителя У поступает сигнал рассогласования ∆U=Е(t₀,t₁) – U_к, который усиливается и подается на реверсивный двигатель. Если это напряжение не равно 0, то двигатель вращается, перемещая движок реохорда в сторону уменьшения напряжения рассогласования. В состоянии равновесия:

. (12)

Температурная коррекция действует следующим образом: при увеличении температуры окружающей среды t₀ уменьшится E(t, t₀), одновременно это приведёт к увеличению U(R_M) и положение равновесия (в соответствии с (12)) не нарушится.

2. ДИСК – 250

Приборы, регистрирующие ДИСК – 250, предназначены для измерения и регистрации физической величины, преобразованной в сигналы термопар, ТС или унифицированные сигналы. Приборы предназначены для применения в металлургии, машиностроении, нефтедобывающей, перерабатывающей, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Подключение ТС осуществляется по четырех- или трехпроводной схеме. При этом сопротивление каждого провода, распределенное по длине линии связи, не должно превышать 35 Ом.

Приборы имеют внутреннюю компенсацию температуры холодного спая. Суммарное сопротивление линии связи и внутреннего сопротивления термопары не должно превышать 200 Ом.

Прибор осуществляет регистрацию результатов измерений на диаграммном диске в полярных координатах. Время прохождения узла записи от одного предельного значения до другого не превышает 10 с.

Предел основной приведенной погрешности прибора, составляет ± 0,25%;

Прибор может осуществлять контроль выхода результатов измерений за допустимые пределы, уставки. При выходе измеренного значения за заданные пределы включается светодиод на крышке прибора и изменяется состояние реле.

Прибор имеет встроенный регулятор.