Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Средства автоматического контроля температуры



ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ»

 

 

Учебно-методическое пособие

 

 

Специальность:

 

 

ЧЕРЕПОВЕЦ


Лабораторный практикум по дисциплине «Управление техническими системами»: Учеб.-метод. пособие. – Череповец: ЧГУ, 2006. - 47 с.

 

Рассмотрено на заседании кафедры автоматизации и систем управления, протокол № 1 от 30.08.06 г.

Одобрено редакционно-издательской комиссией Инженерно-экономического института (ЧГУ), протокол №1 от 03.09.06 г.

 

В данном учебно-методическом пособии рассмотрены вопросы Методические указания включают следующие работы: средства автоматического контроля температуры, описание объекта управления, позиционное регулирование температуры (нелинейные системы автоматического регулирования), поверка автоматического дифманометра – расходомера типа КСД-3.

 

 

С о с т а в и т е л ь : Н.Л. Макарова

 

 

Р е ц е н з е н т ы : К.А. Харахнин – канд.техн.наук, доцент (ЧГУ)

 


Работа №1

Средства автоматического контроля температуры.

1. Цель работы:

 

Ознакомится с разновидностями и принципом действия основных средств автоматического контроля температуры.

Построить полученный экспериментальным методом график переходного процесса в системе автоматического контроля темпе­ратуры.

Графическим методом определить параметры объекта регу­лирования:

а) время переходного процесса;

б) постоянную времени Тоб;

в) время запаздывания tоб.

 

2. Основные теоретические положения.

 

Температура является одним из важнейших параметров мно­жества теплотехнических процессов.

Диапазон измеряемых температур широк и разнообразны ус­ловия их измерения. Из всего разнообразия методов измерения температуры и измерительных средств наибольшее распространение получили:

1. термометры сопротивления;

2. термоэлектрические термометры;

3. пирометры излучения.

Первые две разновидности датчиков используются для контроля температуры:

- охлаждающей воды;

- подогретых газов и воздуха, поступающих к горелочным устройствам;

- отходящих продуктов сгорания;

- футеровки агрегатов;

- жидких металла и шлака и др.

Пирометры измеряют температуру насадок регенераторов, ра­бочего пространства и свода печей, жидких металла и шлака и др.

 

 

Термометры сопротивления (ТС).



 

Принцип действия термометров сопротивления основан на способности металлов или полупроводниковых материалов изменять электрическое сопротив­ление с изменением температуры.

Для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления применяется медная, плати­новая или никелевая проволока.

Для термометров сопротивления из меди и никеля диапазон измеряемых температур t = −200 ¸ + 200 °С; из платины t = −260 ¸ +650°С. Полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы измеряют температуру в диапазоне t = - 90 ¸ + 180 °С. Их чувствительные элементы изготовляются из оксидов меди, кобальта, никеля, марганца и др. металлов.

 
 

 


Чувствительный элемент медного ТС (рис 1.1) — это обмотка 2 из тонкой медной проволоки, покрытой снаружи защитной хлорвиниловой лентой 3. К обмотке припаяны выводы 1. Чувствительный элемент по­мещается в защитный металлический или керамический чехол, оканчивающийся головкой с клеммами, для подключения к измери­тельному прибору.

Чувствительный элемент платинового ТС (рис 1.2) выпол­нен в виде спирали 2, помещённой в двух- или четырёхканальный керамический чехол. К спирали припаяны выводы 1, с помо­щью которых элемент подключается к измерительному прибору. Каркас герметизируется специальной глазурью 4, все элементы ТС помещаются в корпусе 3.

Вторичные приборы для термометров сопротивления:

- автоматические мосты типа КСМ, КПМ, КВМ;

- приборы с унифицированным входным сигналом КПУ, КВУ;

- логометры;

- милливольтметры.

 

Термоэлектрические термометры ( ТТ ).

Состоят из первичного преобразователя — термопары и вто­ричного измерительного прибора.

Термопара состоит из двух разнородных проводников А и В (рис.1.3).



 


 
 
 
Рис. 1.3.

 

 


В основу работы термопар положено явление термоэлектрического эффекта. Иначе его называют явлением Зеебека – возникновение электродвижущей силы в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединённых разнородных проводников, если места их контакта (спаи) поддерживают при различных температурах. Возникающую в результате термоэлектрического эффекта величину называют термоэлектродвижущей силой (ТЭДС).

Явление Зеебека обусловлено следующими тремя причинами :

1. преимущественной диффузией носителей тока в проводнике от нагретого конца к холодному (объемная составляющая ТЭДС);

2. зависимостью контактной разности потенциалов от температуры, связанной с зависимостью химического потенциала от температуры (контактная составляющая ТЭДС);

3. увлечение электронов фононами, которые преимущественно перемещаются от горячего конца проводника к холодному и, взаимодействуя с электронами, вызывают преимущественное перемещение их в том же направлении (фононная составляющая ТЭДС), при низких температурах эта составляющая ТЭДС может играть определяющую роль.

Простейшую электрическую цепь, составленную из двух разнородных проводников, называют термоэлементом или термопарой. В простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, возникают 4 различных ТЭДС: две в местах спаев проводников, одна на конце проводника А и одна на конце проводника В. Если принять, что спаи проводников нагреты до температур t и t0 , то обходя цепь против часовой стрелки, получим:

(1.1)

- ТЭДС, обусловленные контактной разностью потенциалов и разностью температур концов проводников А и В, пусть t = t0, тогда:

(1.2)

Если (1.2) подставить в (1.1), то получим уравнение термопары:

(1.3)

полагая t0 = const, получим функциональную зависимость: ЕАВ(t,t0) = f (t), таким образом , можно свести измерение температуры к определению ТЭДС термопары.

Однако не всякая термопара будет пригодна для практического применения, т. к. требования, предъявляемые к материалам термопар следующие:

1. они не должны изменять с течением времени (в пределах рабочих температур) своих механических и химических свойств,

2. должны обладать достаточно высокой ТЭДС,

3. должны иметь хорошую электропроводность,

4. должны иметь линейную зависимость ТЭДС от температуры.

Такие материалы получили название термоэлектропроводных материалов. К их числу относятся чистые металлы (платина, медь, вольфрам, молибден, константан) и сплавы (платинородий, хромель, копель, алюмель и т.п.). Практически для всех металлов и сплавов функциональная зависимость ТЭДС от температуры сложна, и выразить ее аналитически весьма трудно, поэтому измеряемую температуру определяют по градуировочной таблице для данного значения ТЭДС.

Применяются следующие термопары с металлическими термоэлектродами: ТПП, ТПР 30/6, ТХА, ТХК, ТПР, термопара вольфрам-молибден, термопара вольфрам-рений и т.д.

Таблица.1

Характеристики термоэлектродов.

Материалы термоэлектродов Граду-ировка ТЭДС при Т1=373К, Т0=273К Пределы измер. при длит. прим.
К °С
Платинородий – платина ПП 0,64 250-1600 0-1300
Платинородий – Платинородий ПР- 30/6 - 513-1900 300 – 1600
Хромель – алюмель ХА 4,1 220-1300 -100 – 1000
Хромель – копель ХК 6,95 220-900 -100 – 600
Сплав НК-СА НС 1,85 573-1300 300-1000
Вольфрам – молибден - 0,5 1500-2473 1200-2200
Медь - копель МК - 150-373 -200 – 100

 

Для кратковременного погружения, верхний предел измерения увеличивается на 200 - 300 °С.

Таким образом, для определения температуры с помощью термопары необходимо измерить развиваемую ТЭДС. Для включения измерительного прибора необходимо разорвать электрическую цепь (рис.1.4)

 

 

Разрыв можно сделать либо в спае с t0 (рис.1.4,а) либо в одном из термоэлектродов (рис.1.4, б). Принципиальной разницы нет, так как существует следующее правило: ТЭДС термопары не изменяется от введения в ее цепь третьего проводника, если концы этого проводника имеют одинаковые температуры.

Для доказательства возьмем термопару, изображенную на рис.1.5.

 
 

 


Уравнение (1) будет иметь вид:

(1.4)

пусть t = t0, тогда:

(1.5)

Очевидно, что . Если последнее выражение подставить в уравнение (1.4), то получим уравнение (1.3). Практическое значение этого свойства заключается в возможности вводить измерительный прибор в цепь термопары.

В качестве вторичных приборов в комплекте с термопарами используются:

- автоматические потенциометры;

- пирометрические милливольтметры.

 

Пирометры излучения ( ПИ).

 

В общем случае ПИ состоят из:

- первичного датчика;

- вторичного преобразователя;

- вторичного измерительного прибора.

Они относятся к бесконтактным средствам автоматического контроля температуры. Различные типы ПИ измеряют температуру до 6000 °С.

В основу их работы положен принцип све­тового и теплового излучения нагретых тел.

Все тела в природе независимо от их температуры излучают электромагнитные волны. Спектр электромагнитного излучения большинства твёрдых и жидких тел является непрерывным и содержит волны всех длин от l = 0 до l = ¥. Суммарная энергия волнового излучения и энергия излучения волн определённой длины зависит от температуры тела. При температуре тел до 500°С в общей энергии излучения преобладает энергия электромагнитных волн невидимого инфракрасного (теплового) диапазона (l > 0,76 мкм). С повышением температуры в спектре излучения тел преобладает более короткие волны и тела светятся, быстро возрастает спектральная энергетическая яркость. Одновременно с повышением температуры возрастает и общая энергия излучения — интегральное излучение. Следовательно, измеряя энергию излучения тел, можно определить температуру тела.

Теоретически можно обосновать лишь явление лучеиспускания абсолютно черного тела (коэффициент лучеиспускания этого тела принимают равным единице). Все реальные физические тела обладают способностью отражать часть падающих на них лучей. Поэтому коэффициент лучеиспускания реальных тел меньше единицы, причем он зависит от природы и состояния его поверхности.

В природе нет абсолютно черных тел, однако есть тела, близкие к абсолютно черному телу. Так, тело, покрытое черной шероховатой краской (нефтяной сажей), поглощает до 96% всей лучистой энергии. Свойством абсолютно черного тела, обладают топочные пространства с непрозрачными и равномерно нагретыми стенками.

Спектральная энергетическая яркость (СЭЯ) и интегральное излучение зависят от физических свойств вещества; поэтому шкалу приборов, измеряющих температуру нагретых тел, градуируют по излучению абсолютно черного тела.

Возрастание СЭЯ с повышением температуры различно для волн различных длин и в области сравнительно невысоких температур для абсолютно черного тела описывают уравнением Вина:

, (1.6)

где - СЭЯ абсолютно черного тела для волн длиной l; Т - абсолютная температура тела, К; C1 и C2 - константы излучения: ( h - постоянная Планка, С - скорость света); (N - постоянная Авогадро; R - универсальная газовая постоянная).

Так как СЭЯ неодинакова для различных длин волн, уравнение Вина применяют в яркостной пирометрии для волн определенной длины (обычно для красного цвета длиной волны 0,65 или 0,66 мкм).

Для температур выше 3000 К уравнение Вина становится неточным и монохроматическое излучение абсолютно черного тела надежно характеризует несколько более сложным уравнением Планка:

, (1.7)

При повышении температуры абсолютно черного тела область спектра, обладающая максимальной энергией, смещается в направлении малых длин волн (рис.1.6).

Это явление приводит к постепенному изменению цвета тела и возрастанию его яркости по мере повышения температуры. Количество энергии, излучаемой абсолютно черным телом, характеризуется площадью, заключенной между осью абсцисс и кривой распределения энергии по спектру и характеризуется уравнением Стефана-Больцмана:

(1.8)

где Е0 - интегральное излучение абсолютно черного тела; s - коэффициент излучения, равный 4,96*10-8 ккал/м2час град4.

 

 

 
 
Зависимость объемной плотности излучения в единице объема, т.е. энергии излучения от длины волны  

 


l, мкм  
Рис. 1.6. Зависимость спектральной энергетической яркости Е0l от длины волны l.

Для упрощения вычислений это уравнение часто представляют в виде:

(1.9)

где C0 - константа излучения абсолютно черного тела; T - абсолютная температура излучающей поверхности, K.

Уравнение Вина, Планка и Стефана-Больцмана справедливо для абсолютно черного тела. Так как все реальные тела обладают коэффициентом лучеиспускания меньше единицы, то измерения температуры реального тела пирометром излучения всегда будет меньше действительной.

Для перехода от кажущейся температуры к действительной, можно пользоваться следующими соотношениями для оптического пирометра: (1.10)

для радиационного пирометра:

(1.11)

где T - действительная температура, K; Tk - кажущаяся температура, K; el - коэффициент черноты для монохромного света длиной волны l; eT - суммарный коэффициент черноты для температуры T.

Значения коэффициентов черноты el и eT для различных материалом приведены в справочной литературе и некоторые из них в таблицах 2 и 3.

 

Таблица 2

 

Коэффициент черноты полного излучения eT

 

Материал Температура материала, °C Коэффициент черноты
Сталь окисленная Железо литое не обработанное Медь окисленная Уголь 20-600 900-1100 100-600 0,8 0,87-0,95 0,6-0,7 0,81-0,79

 

Таблица 3

Коэффициент черноты монохроматического излучения el

при l=0,65 мкм.

    Материал Коэффициент черноты монохроматического излучения для поверхности
Не окисленной Окисленной
Сталь твердая углеродистая Чугун твердый Медь твердая Медь жидкая Уголь и графит (1300 к) Шамот 0,44 0,37 0,11 0,15 0,90 0,70-0,80 0,80 — 0,70 — 0,90 0,70-0,80

 

Приборы, предназначенные для измерения температуры тел по их излучению, называются пирометрами. Пирометры, основанные на яркостном методе измерения, называются оптическими, яркостными или пирометрами частичного излучения. Пирометры, основанные на радиационном методе измерения, называются радиационнымиили пирометрами полного излучения.

Оптические пирометры

Действие оптических пирометров основано на измерении видимой части тел путем сравнения яркости свечения этого тела и яркости свечения нити фотометрической лампы.

 

 

 


В качестве чувствительного элемента, определяющего совпадение интенсивностей излучения, служит глаз оператора.

Большое распространение получили оптические пирометры с исчезающей нитью переменного накала.

Обозначения позиций на (рис.1.7): 1 - линза объектива; 2 - серый светофильтр; 3 - лампа накаливания; 4 - красный светофильтр; 5 - окулярная линза; 6 - милливольтметр; 7 - батарей; 8 - реостат.

Предварительной градуировкой устанавливаем зависимость температуры нити лампы 3 от тока, питающего лампу. Шкала милливольтметра градуирована в °C.

Процесс измерения температуры сводится к управлению яркостей нагретого тела и нити накаливания лампы изменением тока с помощью реостата 8.

Оптические пирометры применяются для измерения температур в пределах от 800 до 6000 °C и изготавливаются в основном в виде переносных приборов, предназначенных для периодических измерений температуры в топках печей.

Каменец-Подольский приборостроительный завод выпускает два вида пирометров:

«Проминь» — диапазон измерения температур 800-4000 °C;

ОППИР-017 — диапазон измерения температур 800-6000 °C.

Радиационные пирометры

Действие радиационных пирометров основано на измерении полной энергии излучения нагретого тела. Пирометр снабжен оптической системой, собирающей испускаемые нагретым телом лучи на каком-либо теплоприемнике. Теплоприемник обычно представляет собой термоэлектрическую батарею, состоящую из нескольких последовательно соединенных миниатюрных термопар или полупроводникового терморезистора. Измерительными приборами служат милливольтметры, автоматические потенциометры и мосты.

 
 

 

 


Схема пирометра полного излучения с термобатареей представлена на рис. 1.8.

Обозначения позиций на (рис. 1.8): 1 - линза объектива; 2 - линза окуляра; 3 - диафрагма; 4 - термоэлектрический приемник (ТЭП); 5 - цветное стекло; 6 - измерительный прибор.

Этот пирометр состоит из телескопа с линзой 1 объектива с линзой 2 и окуляра. На пути лучей линзы 1 установлена диафрагма 3, а в фокусе линзы объектива - термоэлектрическая батарея 4.

Рабочие спаи ТЭП прикреплены к крестообразной пластинке из платиновой фольги, покрытой платиновой чернью для лучшего лучеиспускания. Свободные концы термопар выведена к клеммам, находящимся в корпусе телескопа. Перед окулярной линзой помещено цветное стекло 5 для защиты глаз при установлении пирометра.

Радиационные пирометры общепромышленного назначения применяются для измерения температуры в пределах от 100 до 3000 °C.

В телескопах радиационных пирометров, предназначенных для измерения температуры в пределах от 100 до 500°C, оптическая система выполнена из фтористого лития или флюорита; от 400 до 2000°C - из кварцевого стекла; от 900 до 3000°C - из оптического стекла марки К-8.

Температура теплоприемника пирометров со стеклянными оптическими системами измеряется хромель-копелевыми термобатареями (градуировка РС-20 и РС-25), а с кварцевыми системами — хромель-копеллевыми (градуировка РК-15) или нихром-константановыми (градуировка РК-20) термобатареями.

Фотоэлектрические пирометры

В отличие от пирометров с исчезающей нитью фотоэлектрические пирометры предназначены для показания и записи температуры. Эти приборы используют для измерения температуры при быстро протекающих процессах.

Принцип действия прибора основан на свойстве фотоэлемента изменять фототок в зависимости от падающего на него светового потока. В фотоэлектрических пирометрах используется тот же участок спектра, что и в пирометрах с исчезающей нитью (l=0,65 мкм). Получаемый фототок, который характеризует температуру излучения, очень мал. Для его усиления применяют электронные усилители.

На (рис. 1.9) приведена принципиальная схема фотоэлектрического пирометра с отрицательной обратной связью по световому потоку.

Световой поток от излучателя концентрируется линзой 1 и через верхнее отверстие кассеты красного светофильтра 2, попадает на фотоэлемент 3. На фотоэлемент через нижнее отверстие кассеты попадает также световой поток от лампы накаливания 4. Попеременное освещение фотоэлемента обеспечивается вибрирующей заслонкой 5 модулятора света (частота модуляции 50 Гц), установленной перед кассетой светофильтра.

 

 

Рис. 1.9. Принципиальная схема фотоэлектрического пирометра типа ФЭП.

Обозначения позиций на (рис.1.9): 1 - линза; 2 - светофильтр (красный); 3 - фотоэлемент; 4 - линза накаливания; 5 - заслонка модулятора света; 6 - усилитель напряжения; 7 - фазочувствительный детектор.

Конфигурация заслонки и отверстий в кассете светофильтра выбрана так, что на фотоэлемент попадает синусоидально изменяющиеся световые потоки обоих источников излучения. При этом фазы светового потока сдвинуты на 180°.

Результирующий ток на выходе фотоэлемента создает на резисторе R синусоидальное падение напряжения, которое через конденсатор C подается на трехкаскадный электронный усилитель 6. Переменная составляющая фототока, пропорциональная разности светового потоков, усиливается усилителем 6 и подается через фазочувствительный детектор на электронную лампу. Ток этой лампы является выходной величиной. В анодную цепь электронной лампы включена лампа накаливания 4 отрицательной обратной связи.

Отрицательная обратная связь по световому потоку, охватывающая фотоэлемент и электронный усилитель, делает работу пирометра Схема пирометра полного излучения с термобатареей представлена на рис. 1.8.

мало зависящей от изменения коэффициентов усиления отдельных каскадов и чувствительности фотоэлемента, а также от изменения температуры датчика и напряжения питания.

Область применения пирометра 800-4000°C. Основная погрешность ±1% от верхнего предела измерения. Вторичным прибором служит быстродействующий самопишущий компенсатор.

 

3. Ход работы.

1. Ознакомиться с теорией.

2. Включить установку, изучив её принципиальную схему.

Рис. 1.10 Схема установки (двухпозиционная САП температуры)

А - сетевой автомат; Н - муфельный нагреватель; Т - термопара хромель-алюмелевая ТХА; КСП – компенсационно-сравнивающий потенциометр; ЛС - контрольная лампа; Л - Реле.

3. Подать на объект регулирования входное воздействие ХВХ , установленное преподавателем.

4. Снимать значение входной величины в следующем порядке:

1) 10 измерений через 10 секунд;

2) 10 измерений через 30 секунд

3) 10 измерений через 1 минуту;

4) 10 измерений через 2 минуты

5) через 5 минут до установления выходной величины (в течение 15 минут ее значение не должно изменятся).

5. Полученные экспериментальные данные занести в таблицу по форме 1.1

Форма 1.1 Экспериментальные данные.

Интервал измерения                      
Через 10 сек.                                          
Через 30 сек.                                          
Через 60 сек.                                          
Через 120 сек.                                          
Через 300 сек.                                              
Величина нагрузки      
Начальная температура      
                         

5. По результатам эксперимента построить график переходного процесса на миллиметровой бумаге.

 

Рис. 1.10 Пример графика переходного процесса.

 

6. Провести касательную к графику переходного процесса в месте наибольшей крутизны, определить tоб, Tоб.

7. Сделать выводы.

8. Оформить отчет по лабораторной работе в соответствии с требованиями ГОСТ.


Работа №2.


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!