Автоматичний компенсаційний прилад для вимірювання

Національний університет

“Львівська політехніка”

 

 

Кафедра АТХП

 

Дослідження статичних характеристик первинних перетворювачів, нормуючих перетворювачів та вторинних приладів

 

Інструкція до лабораторної роботи №3

 

з курсу “Технологічні вимірювання ті прилади”

для базового напрямку підготовки 6.0922500

“Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології

 

 

Затверджено

на засіданні кафедри

автоматизація теплових

і хімічних процесів

Протокол №____від_______

 

 

Львів 2002

 

Дослідження статичних характеристик первинних перетворювачів, нормуючих перетворювачів та вторинних приладів. Інструкція до лабораторної роботи №3 з курсу “Технологічні вимірювання ті прилади” для базового напрямку підготовки 6.0922500 “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології” /Укл. Б.А. Кріль, Львів: Вид-во нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2002. - 7 с.

 

 

Укладач: Кріль Б.А., доцент

 

Відповідальний за випуск Пістун Є.П., д.т.н., професор

 

 

Рецензенти: Савицький В.К.,

Вашкурак Ю.З.

 

 

Мета роботи: експериментально дослідити статичні характеристики системи автоматичного контролю (САК); вивчити принцип дії нормуючих перетворювачів і електропневматичних перетворювачів, статичні характеристики яких необхідно дослідити.

 

Загальні відомості

Засоби вимірювання, а в багатьох випадках і їх перетворюючі елементи виконуються так, що перетворення сигналів, яке в них відбувається має властивість однонаправленості. Це означає, що зміна сигналу на вході засобу вимірювання призводить до відповідної зміни сигналу на виході, але зворотній вплив вихідного сигналу на вхідний відсутній.

Сигнал, який викликає зміни іншої величини, називається вхідною величиною (вхідним сигналом), а сигнал на виході - вихідною величиною (вихідним сигналом).

Статичною характеристикою засобів вимірювання (вимірювального приладу або перетворювача) називають функціональну залежність між вихідною величиною y (переміщенням вказівника приладу або вихідним сигналом перетворювача) і вхідною величиною x в усталеному режимі:

y=f(x)

Цю залежність називають також рівнянням шкали приладу, градуювальною характеристикою приладу або перетворювача. Статична характеристика може бути задана аналітично, графічно або у вигляді таблиці.

В загальному випадку лінійна або лінеаризована статична характеристика засобів вимірювання описується рівнянням вигляду

y=А+Kx

де А - константа, що має розмірність y; K -коефіцієнт передачі, що має розмірність у/x і називається коефіцієнтом перетворення.

Якщо лінійна статична характеристика засобу вимірювання проходить через початок координат (мал.6.1.б), то рівняння має вигляд

у=Кх

Мал.6.1 Статичні характеристики: а)-лінійна з А>0; б) -лінійна з А=0;

в) -нелінійна; г) -нелінійна з лінеаризацією 1/-методом дотичної; 2/- методом січної.

 

Лінійна статична характеристика оцінюється кутом її нахилу, тангенс якого дорівнює коефіцієнту передачі елементу К. Коефіцієнт передачі показує, в скільки разів зміна вихідної величини більша або менша від зміни вхідної величини, і, відповідно, може бути більшим або меншим від одиниці. Для лінійних статичних характеристик К є сталою величиною і характеризує чутливість елементу.

Для більшості засобів вимірювання властива лінійна статична характеристика. Нелінійні статичні характеристики засобів вимірювання є тільки в тих випадках, коли вони зумовлені принципом вимірювання і нелінійність не може бути виключена. Мірою відхилення нелінійної характеристики від лінійної служить відносна нелінійність статичної характеристики, яка визначається відношенням Δу/x_N (мал.6.1.в), де
Δу - максимальний відрізок вихідної координати між статичною характеристикою і прямою, що з’єднує початок x_п і кінець х_к нелінійної характеристики, а x_N- нормуюче значення, або діапазон вимірювань вхідного сигналу. Якщо відносна нелінійність статичної характеристики невелика, або діапазон вимірювань x_N обмежений, то можна лінеаризувати характеристику, тобто замінити реальну нелінійну залежність у від х наближеною лінійною.

Лінеаризацію заданої графічної характеристики здійснюють методами дотичної або січної.(мал.6.1.г)

Якщо нелінійна характеристика задана аналітично, то для її лінеаризації використовують розклад в ряд Тейлора.

В вимірювальних приладах і перетворювачах коефіцієнт передачі К переважно називають чутливістю. У випадку лінійної статичної характеристики чутливість залишається постійною для будь-якої точки шкали. При нелінійній статичній характеристиці чутливість буде визначатися відношенням приросту вихідного сигналу у до приросту вхідної величини х:

S= Δy/ Δx

Якщо всі ланки приладу лінійні, то чутливість приладу - величина постійна, а шкала рівномірна. Якщо хоча б одна ланка приладу має нелінійну характеристику, то загальна характеристика буде нелінійною а шкала нерівномірною.

Порогом чутливості називається найменша зміна значення вимірюваної величини, яка здатна викликати найменші зміни показу вимірювального приладу.

Одна з головних властивостей лінійних елементів - можливість використання для них принципу суперпозиції або накладання, що базується на тому, що загальна реакція елементу на суму вхідних величин рівна сумі реакцій на кожну вхідну величину окремо. Цей принцип дозволяє експериментально досліджувати властивості лінійного елементу або групи елементів шляхом почергового прикладення всіх можливих для цього випадку вхідних величин (дій).

 

Автоматичний компенсаційний прилад для вимірювання

уніфікованого струмового сигналу типу КСУ.

У відповідності з вимогами для вимірювання уніфікованого сигналу постійного струму, стандартні діапазони вимірювань складають 0 – 20 мА, 4 – 20 мА, 0 – 5 мА. Як вимірювальний прилад застосовують використовуються автоматичні електронні прилади типу КСУ (модифікації - 1 або 2,3,4), які аналогічні до потенціометрів КСП і мостів КСМ. Основна зведена похибка показів КСУ-1 не перевищує 1%, КСУ-2 0.5%, КСУ-4 0.25%.

На мал. 6.2 показана функціональна схема автоматичного приладу типу КСУ-4. Вимірювальна схема незначно відрізняється від схеми автоматичного потенціометра. Вимірювана напруга – спадок напруги на зразковому опорі порівнюється з напругою, яка знімається з діагоналі мостової вимірювальної схеми, і різниця цих напруг подається на вхід електронного підсилювача ЕП. струмовий уніфікований сигнал перетворюється з допомогою шунта R_i в спадок напруги, який змінюється в діапазоні 0 – 100 мВ. Для струмового вхідного сигналу 0 – 20 мА або 4 – 20 мА R_i дорівнює 5 Ом, а для сигналу 0 – 5 мА - 20 Ом.

Мал.6.2. Функціональна схема автоматичного компенсаційного приладу для роботи з уніфікованим струмовим сигналом.

Опори R, R1, R2, R3 і R5 утворюють вимірювальну мостову схему подібно, як і в автоматичних потенціометрах. Опір R4, на відміну від потенціометрів (в них опір R4 є мідним і виконує функцію компенсації зміни температури вільних кінців термопари, він виведений на задню стінку в місці під’єднання видовжувальних провідників), є постійним і виконаним з манганіну (сплав з дуже малим температурним коефіцієнтом опору для виготовлення високоточних дротяних опорів).

Електропневмоперетворювач типу ЕПП.

Перетворювач типу ЕПП призначений для перетворювання уніфікованого електричного сигналу постійного струму (0 – 20 мА, 4 – 20 мА або 0 – 5 мА) в уніфікований пневматичний неперервний сигнал 0.02...0.1 мПа.

Принципова схема електропневматичного перетворювача показана на мал.6.4. Первинним перетворювальним пристроєм є магнітоелектричний силовий механізм, який складається з магнітопровода 8, постійного магніту 9 і послідовно ввімкнених навиток 10, по яких протікає вхідний струм. Магнітний потік, що виникає в магнітопроводі 8 при проходженні електричного сигналу по навитках електромагніту, призводить до пропорційного до сили струму переміщення якоря 7.

Мал.6.3. Схема електропневмоперетворювача ЕПП.

Це система з силовою компенсацією і переміщення якоря через важіль 12 на осі 6 передається на індикатор переміщення з сопла 2 і заслінки 3 (це єдино можлива конструкція пневматичного індикатора переміщення). Пристроєм зворотнього зв’язку, тобто силової компенсації, є сильфон 5. Початок діапазону перетворення при нульовому вхідному сигналі І_вх встановлюється з допомогою пружини-коректора нуля 4, яка кріпиться на плиті 1.

Тиск повітря в лінії після елементу сопло-заслінка, який буде залежати від положення заслінки по відношенню до сопла, поступає на підсилювач потужності 11 і подається на вихід перетворювача і в сильфон зворотнього зв’язку 5. Зусилля, яке розвиває сильфоні під дією вихідного тиску, зрівноважує зусилля, яке розвиває якір 7 під дією вхідного струму.

 

Вторинний прилад ДСП для вимірювання уніфікованого пневматичного сигналу серії ПВ.

Вторинні пневматичні прилади типу ПВ (системи СТАРТ) працюють з пневматичними давачами та іншими пристроями, що видають уніфіковані аналогові сигнали в межах 0,02…0,1 МПа.

Випускаються прилади типу ПВ різних модифікацій – для неперервного запису та відображення одного параметру (ПВ4.2П), для неперервного запису та відображення двох параметрів (ПВ4.3П), для неперервного запису та відображення одного параметру заданої величини, а також тиску, що подається на виконавчий механізм (ПВ10.1П). Остання модифікація ПВ використовується тільки у системах автоматичного регулювання.

Прилади типу ПВ мають з’ємний механізм для запису на паперовій стрічці.

Принцип дії приладу (мал.6.4) базується на компенсаційному методі вимірювання, при якому зусилля на приймальному елементі, що виникає від вхідного тиску Р_вх , зрівноважується зусиллям від тиску повітря джерела живлення.

Мал.6.4 Принципова схема пневматичного приладу типу ПВ4.2П

Приймальний елемент (сильфон 1) сприймає від первинного давача (перетворювача) пневматичний вхідний сигнал Р_вх = 20 – 100 кПа.

Стиснуте повітря від джерела живлення надходить у лінію, що сполучає сопло 2 із силовим елементом 6.

Зміна Р_вх викликає зміну зазору між заслінкою, що закріплена на конусі важеля 3 приймального елементу, і соплом, що призводить до зміни тиску повітря у лінії сопла, а відповідно, у силовому елементі 6. При цьому переміщуються чашкова мембрана силового елемента та важіль 5, що спирається на неї, котрий також пов’язаний з важелем 3 з допомогою пружини зворотнього зв’язку 4. Таким чином зусилля, що створюється на силовому елементі 6, зрівноважується зусиллям на сильфоні 1 від дії вхідного тиску.

Переміщення важеля 5 силового елементу передається перу або вказівнику приладу 7. Переміщення стрічкової діаграми може здійснюватися з допомогою пневмодвигуна з регулятором ходу від годинникового механізму (ПВ4.2П) або електродвигуна (ПВ4.2Э). Основна допустима похибка вторинних пневматичних приладів ±1,0%.

Порядок виконання роботи

1. Ввімкнути прилад.

2. Під’єднати зразкові прилади

3. Розрахувати значення показів, в яких буде проводитись перевірка.

4. Задати розраховані значення.

5. Обробити результати перевірки та внести їх в протокол досліджень.

6. Зробити висновок про характер статичної характеристики приладу та придатність його до експлуатації.