Коломоец М.В. Измерение температуры и поверка датчиков температуры - файл n1.doc

Коломоец М.В. Измерение температуры и поверка датчиков температуры
скачать (5053 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc5053kb.13.10.2012 20:16скачать

n1.doc

Федеральное агентство по образованию

Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»


ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПОВЕРКА ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

Методическое пособие

Нижнекамск 2008

Составители:

М.В. Коломоец.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПОВЕРКА ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ: Методическое пособие / Нижнекамский рег. уч.-мет. центр; Сост.: М.В. Коломоец. Нижнекамск, 2008.

Пособие предназначено для обеспечения курса лекций по дисциплине «Системы управления химико – технологическими процессами» для студентов, обучающихся технологическим и механическим направлениям.

Подготовлено на кафедре АТПП Нижнекамского химико-технологического института.

Печатается по решению методической комиссии по циклу общих математических и естественнонаучных дисциплин.

Рецензенты:

Введение
Ведение химико-технологического процесса человеком в последнее время становится нецелесообразным, так как само присутствие человека при ведении технологического процесса становится потенциально опасным из-за несовершенства органов чувств человека, что может привести к авариям на производстве. Это объясняет тенденцию сокращения производственного персонала и замены его высокоточными техническими автоматическими системами управления технологическими процессами (АСУТП).

Основой каждой такой АСУТП является система автоматического контроля, позволяющая получать точную и достоверную информацию о режимных параметрах процессов, параметров обрабатываемых продуктов и общей динамике процесса. Качеством работы системы автоматического контроля во многом определяется эффективность работы всей АСУ.

При контроле химико-технологического процесса (ХТП) измеряется очень много параметров (расход, давление, уровень, влажность и т.д.), но чаще других измеряется температура. Это объясняется тем, что по значению данного параметра можно судить о правильности протекания ХТП на всех его участках и стадиях. Температура является основным параметром технологического процесса. По ее данным судят как о качестве прохождения самого процесса, так и о его критических значениях.

Так как контроль состояния ХТП чаще всего проходит дистанционно, на некотором отдалении от местоположения технологической установки (в операторной), то в большинстве случаев для контроля состояния ХТП используются датчики с электрическим выходным сигналом.

Выше перечисленные факторы сформировали задачу данного методического пособия как рассмотрение принципов действия датчиков температуры и ознакомление с методикой их поверки.

1.основные понятия и определения

СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

1.1.ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КАНАЛ в системах автоматического контроля
В большинстве случаев система автоматического контроля одной величины включает четыре элемента: объект измерения, чувствительный элемент, линию связи и измерительное устройство.

Системой автоматического контроля называют систему, состоящую из объекта контроля и различных устройств, выполняющих функции измерения.





Под объектом измерения (контроля, управления) понимают аппарат, установку, состоящую из совокупности аппаратов, сложное явление или процесс, характеризующиеся множеством отдельных физических величин (параметров объекта), каждая из которых может быть измерена в отдельности, но в реальных условиях действует на измерительное устройство совместно со всеми остальными параметрами.

Физическую величину, которая выбрана для измерения, называют измеряемой величиной.

Чувствительный элемент устанавливают непосредственно в объекте контроля (обычно входит в состав измерительного преобразователя), он воспринимает величину контролируемого (измеряемого) параметра и преобразует ее в соответствующий сигнал, поступающий по линии связи к измерительному устройству.

Измерительным устройством называется отсчётное устройство со шкалой (поз. 1-1 и поз 2-1).


Структурные схемы такой системы измерительных преобразователей показаны на рис. 1а, б, в, где каждый из элементов представлен прямоугольником; стрелки между прямоугольниками показывают направление передачи сигналов с одного элемента на другой. Элементы характеризуются сигналами на входе и выходе, называемыми также входными и выходными сигналами. Здесь передача сигнала идет в одном направлении, т.е. от объекта к измерительному устройству. Такие системы автоматического контроля называют разомкнутыми. В некоторых системах контроля чувствительный элемент является измерительным элементом устройства. В этом случае линия связи между чувствительным и измерительным элементами отсутствует, а структурные схемы контроля соответствуют схемам 1б, в.

Если измерительный прибор, например термометр или манометр устанавливают непосредственно на объекте, то системе контроля соответствует схема на рисунке 1б. Если же измерительный прибор установлен на небольшом расстоянии от объекта, например при работе с очень высокими температурами, и соединен с объектом линией связи (трубкой), то системе контроля соответствует схема 1в. Обычно такое построение характерно для установки приборов измеряющих давление при высокой температуре. Схеме 1а. может соответствовать манометрический термометр, состоящий из термобаллона, капилляра и отсчётного устройства.

Измерительное устройство может быть заменено на измерительный преобразователь, трансформирующий измерительную информацию в форму, удобную для восприятия ЭВМ (контроллером).

Автоматические в которых измеряемый сигнал после обработки возвращается на технологический объект в виде управляющего воздействия называются системами автоматического регулирования (управления). Такие системы являются замкнутыми.

Системы автоматического контроля подразделяются на местные (локальные, по месту), дистанционные и телеизмерительные.

Системы контроля, в которых измерительные устройства расположены вблизи объекта (вблизи места установки чувствительного элемента), называют местными.

Автоматический контроль можно осуществлять и на расстоянии от контролируемого объекта, удлинив линию связи между чувствительным элементом и измерительным устройством. В этих случаях система местного контроля усложняется введением в измерительное устройство преобразователя для преобразования результата измерения в пропорциональный пневматический или электрический сигнал. Последний содержит информацию о величине измеряемого параметра и по соответствующей линии связи передает ее другому измерительному устройству, расположенному на расстоянии от объекта контроля. Во втором измерительном приборе осуществляется обратное преобразование сигнала, переданного по линии связи, в результат измерения. Подобные системы автоматического контроля называются дистанционными. В зависимости от вида используемой энергии дистанционные системы подразделяются на пневматические, электрические и гидравлические.

Для дистанционной передачи информации на расстояния от нескольких десятков метров до нескольких десятков километров применяют измерительные каналы.

Измерительным каналом называется последовательность приборов необходимая для измерения и передачи на расстояние измеряемого параметра. Например, измерительный канал температуры.

Таким образом, дистанционная система контроля имеет два измерительных устройства: первичный и вторичный приборы. Причём, первичным прибором называется прибор, который контактирует с измеряемой средой (измеряет). Вторичным называется прибор, который принимает сигнал от первичного и преобразует его в форму, удобную для восприятия оператором (показывает). Между ними могут находиться промежуточные преобразователи. В измерительном канале выходной сигнал с первичного преобразователя должен являться входным для последующего, сигнал с которого далее так же должен быть воспринят последующим преобразователем, и т. д. до восприятия вторичным прибором или контроллером (ЭВМ).

Для передачи результатов измерения на расстояния в десятки и сотни километров применяют телеизмерительные системы контроля. В таких системах результат измерения при помощи преобразователя в первичном приборе преобразуется в кодированные, обычно дискретные сигналы, передаваемые по каналу (линии) связи. Во вторичном приборе, установленном на другом конце канала связи, эти сигналы преобразуются в результат измерения и фиксируются в цифровой (дискретной, кодовой) и аналоговой (непрерывной) форме.

Для контроля работы сложных производственных процессов применяют системы централизованного контроля. В этом случае для сбора информации вторичные приборы устанавливают на центральном щите или информация отображается на экране контролирующей системы.

В последнее время системы централизованного контроля чаще реализуются при помощи микропроцессорных контроллеров (МП контроллеров). То есть информация с измерительных преобразователей (датчиков, приборов) поступает непосредственно на дисплей оператора, присоединённый к МП-му контроллеру. Так же параллельно информация поступает в ЭВМ, для обработки и хранения. Процесс перехода к такой системе (ИИС) стал возможен вследствие замены пневматических измерительных преобразователей электрическими (см. ниже).

Входная информация, которая используется для воздействия на контролируемый процесс, называется оперативной. Чтобы сократить объем входной информации о большинстве контролируемых величин, часть информации можно направить на систему сигнализации, которая включается только тогда, когда какая-либо контролируемая величина достигает некоторого наперед заданного критического значения.

Обычно при отклонении контролируемого параметра от заданного значения машина выдает световой и звуковой сигнал. Значения контролируемых величин могут быть также получены оператором по вызову (с клавиатуры ИИС). Отклонения контролируемых параметров от пределов установленных пределов измерения регистрируются в непрерывной или цифровой форме.

Виды энергии в ГСП
В зависимости от вида используемой энергии средства измерений и вспомогательные устройства ГСП подразделяют на 4 самостоятельные ветви: электрическую, пневматическую, гидравлическую и не использующую вспомогательной энергии.

Все средства измерений и устройства электрической, пневматической и гидравлической ветви имеют унифицированные входные и выходные сигналы, перечень которых приведен ниже.


Вид сигнала

Физическая величина

Стандартные параметры сигнала



Электрический

Постоянный ток

0 ч 5; 0 ч 20; -5 ч 0 ч 5; 4 ч 20 мА.

Постоянное напряжение

0 ч 10; 0 ч 20; -10 ч 0 ч 10 мВ;

0 ч 10; 0 ч 1; - 1 ч 0 ч 1 В

Переменное напряжение

0 ч 2; -1 ч 0 ч 1 В

Частота

2 ч 8; 2 ч 4 кГц

Пневматический

Давление

0.2 ч 1 кгс / см^2

(0,02 ч 0.1 МПа)

Гидравлический

Давление

0.1 ч 6.4 МПа


Пневматическая энергия КИП (контрольно-измерительных приборов) представляет собой энергию сжатого воздуха давлением 0,02 ч 0.1 МПа (Р­­­пит = 0.14МПа), изменяющимся пропорционально измеряемому параметру. Пневматическая энергия пожаро- и взрывобезопасна поэтому данная система часто применялась на нефтеперерабатывающих заводах.

Эта энергия используется в манометрах сильфонных пневматических (МС-П), уровнемерах буйковых пневматических (УБ-П), регистрирующих приборах вторичных (РПВ-4).

Электрическая энергия КИП используется в приборах передающих информацию электрическим показывающим приборам или непосредственно в микропроцессорный контроллер. Примером таких приборов могут служить преобразователи давления серий «Сапфир», «Метран», преобразователи температуры ТСПУ, ТСМУ с пропорциональным выходным стандартным электрическим сигналом (см. таблицу) (U­­­пит = 24, 36В), первичные преобразователи ТСП, ТХК или хроматограф с выходным первичным нестандартным электрическим сигналом, пропорциональным измеряемой величине.

Гидравлическая энергия при работе контрольно-измерительных приборов не применяется, так как требует применения высокого давления воды, что требует применения металлических труб для передачи сигнала и водонапорного оборудования. Экономически это не выгодно.

В приборах, не использующих дополнительных источников энергии используется, энергия измеряемой среды. Например, таким образом работают манометр или термоэлектропреобразователь.

Связь электрических, пневматических и гидравлических устройств осуществляется с помощью соответствующих преобразователей сигнала. Этим обеспечивается создание комбинированных средств ГСП.

В системе ГСП различают: электропневматические (ЭПП), пневмоэлектрические (ПЭП) и нормирующие преобразователи. Под нормирующим преобразователем понимают преобразователь, переводящий электрический сигнал в стандартную форму унифицированного сигнала, имеющего известные цифровые границы (см. таблицу выше).

Преобразователи типов ПЭП и ЭПП предназначены для перевода сигнала из одного вида энергии в другой.

В ГСП предусмотрено несколько видов конструктивного исполнения средств измерений: нормальное (обычное), пыле -, брызго - и взрывозащищенное.

Нормальное исполнение предназначено для средств ГСП, работающих в нормальных условиях.

Пылезащищенное исполнение предназначено для устройств, работающих в сильно запыленной среде, например на заводе техуглерода.

Брызгозащищенное исполнение выпускается для работы в условиях высокой влажности.

Искро- и взрыво- защищенное исполнение используется на химических производствах, имеющих высокой уровень пожаровзрывоопасности. Приборы в этом исполнении имеют усиленное заземление и двойной корпус, предотвращающий выход взрыва в атмосферу.

Приборы ксм (комплекс самописцев мостовой) и тс (термометр сопротивления), рассматриваемые в данном методическом пособии, относятся к электрическим преобразователям гсп.

В зависимости от конструкции КСМ может записывать данные с одного, трёх, шести и двенадцати датчиков. Кроме того отдельные модели снабжены сигнальными устройствами при выходе измеряемого параметра за заданные пределы и/или командными устройствами для поддержания параметра на заранее заданном уровне.

Государственная система приборов (ГСП)
По функциональным признакам изделия ГСП делятся на 4 группы:

Средства измерений входят в число устройств первой и второй из перечисленных групп и представляют собой первичные, промежуточные, масштабирующие (нормирующие) измерительные преобразователи, измерительные приборы и системы. Вторичные показывающие приборы относятся к третьей группе.

Измерительные устройства и системы составляют самую многочисленную группу изделий ГСП, составляющую более половины номенклатуры промышленных изделий ГСП. Они обеспечивают получение информации о физических величинах (параметрах), характеризующих технологические процессы, свойства и качества продукции.

Задачей курса является изучение получения информации с приборов о состоянии технологического объекта, поэтому в курсе будут изучаться приборы описанных групп, а также возможность их взаимодействия с информационно-измерительной системой (ИИС).
Лабораторная работа №1

Тема 1: изучение принципа действия и устройства первичных преобразователей температуры.
Цель работы: Изучение принципа действия, назначения и устройства электрических измерительных преобразователей температуры (датчиков температуры) термоэлектропреобразователей (ТЭП) и термометров сопротивления (ТС).
1. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

По принципу действия электрические датчики подразделяют на генераторные, вырабатывающие ЭДС пропорциональную изменению температуры, и параметрические изменяющие свои электрические параметры пропорционально изменению измеряемого параметра.

Выходным сигналом генераторных преобразователей является ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной. В качестве примера генераторных датчиков могут выступать термоэлектропреобразователи (раздел 1.1. данного методического пособия).

В параметрических преобразователях выходной величиной является изменение параметра электрической цепи (сопротивление, индуктивность, емкость). Примером могут выступать термометры сопротивления (см. раздел 1.2.). Для работы генераторных преобразователей на них необходимо подавать напряжение питания.

Рассматриваемые в данном методическом пособии датчики, относятся к дистанционным так как обладают выходными электрическими сигналами, но не обладают отсчетными устройствами по которым по месту можно отследить изменение измеряемого параметра.

    1. Преобразователи термоэлектрические

Принцип работы термоэлектрических преобразователей (ТЭП) состоит в следующем. Если составить замкнутую цепь из двух разнородных проводников А и В и нагреть один ее спай, то в цепи возникнет электрический ток (рис. 1а). Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых различно для разных металлов.

Предположим, что в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении; поэтому металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует этой диффузии, и когда скорость диффузии электронов станет, равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия.

При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов.

Если спаяны однородные проводники, концы которых нагреты до разных температур, то свободные электроны диффундируют из более нагретых частей проводников в менее нагретые с большей интенсивностью, чем в обратном направлении (см. рис 1б).

Более нагретые концы проводников заряжаются положительно до тех пор, пока не наступает равновесное состояние за счет создания разности потенциалов, действующей в направлении, обратном тепловой диффузии электронов.

Электронная теория дает лишь физическое (качественное) объяснение термоэлектрического эффекта. Количественное определение термо-ЭДС на основании этой теории невозможно, так как число свободных электронов, приходящихся на единицу объема, не поддается количественному учету, и не известен закон их изменения с изменением температуры.
а б
Рис. 1. Конструкция термопары.
Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой - ТП), проводники - термоэлектродами, а места их соединения - спаями. Обычно измеряется не ток, а термо-ЭДС, для чего в разрыв цепи (обычно это место соединения термоэлектродов) включается прибор для измерения напряжения (рис. 1б).

Спай, контактирующий с объектом измерения, называется измерительным (рабочим), а спай подклю­чения прибора - соединительным спаем ТП (свободным).

Так как потенциалы спаев зависят от температуры, суммарная ТЭДС равна разности функций t и t0 (1)

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например, полагая, что t0 = const, т.е. f2(t0) = const, получим:

(2)

или (3)

То есть градуировочной характеристикой термопары является зависимость генерируемой ЭДС от температуры измеряемой среды.

1.1.1. Классификация и условия работы термоэлектропреобразователей (по ГОСТ Р 8.585)

В зависимости от измеряемой температуры и условий эксплуатации выбирают различные материалы термоэлектрических преобразователей, материалов защитной арматуры, длин погружной и выступающих частей, количество чувствительных элементов, пыле- , влагозащитное исполнение и пр. Выбор осуществляется из стандартного набора термоэлектрических преобразователей как импортного, так и отечественного производства.

В нашей стране для термопар с металлическими электродами в соответствии с ГОСТ Р 50342-92 и ГОСТ 3044-84 устанавливаются номинальные статические характеристики термопар (НСХ), т.е. зависимости термо-ЭДС термопар от температуры измерительного спая при температуре соединительного спая 0 °С. В этой же таблице приведены основные параметры термопар. НСХ задаются в виде таблиц или в виде аппроксимирующих полиномов. Более удобным является табличное задание НСХ. В случае если температура соединительного спая отличается от 0 °С, то по той же таблице рассчитывается компенсационная поправка на температуру соединительного спая.

В России принято 6 основных типов - номинальных статических характеристик (НСХ) технических термоэлектрических преобразователей с металлическими термоэлектродами. Они приведены в табл. 1.


Табл. 1.


Тип

ТП

(Международное)

НСХ

Условное обозначение

Материал

термоэлектрода:

положительный/

отрицательный

Диапазон измерения температуры (кратковременый),˚С

Диапазон

термоЭДС,

мВ

ТВР

ВР(А)

Вольфрам(95%)-рений(5%)/

Вольфрам(80%)-рений(20%)

0-2200

(2500)

0-31,13

(33,64)

ТПР

ПР(В)

Платинородий (70%Pt+30%Rh)/

Платинородий (94%Pt+6%Rh)

300-1600

(1800)

0,43-11,26

(13,58)

ТПП

ПП(S)

Платинородий (90%Pt+10%Rh)/

платина

0-1300

(1600)

0-13,15

(16,77)

ТХА

ХА(K)

Хромель (90,5%Ni+9,5%Cr)/

Алюмель (94,5%Ni+Al,Si,Mn,Co)

-200-+1000

(1300)

-5,89-+41,27

(52,40)

ТХК

ХК(L)

Хромель (90,5%Ni+9,5%Cr)/

Копель (56%Cu+44%Ni)

-200-+600

(800)

-9,50-+49,10

(66,47)

ТМК

МК(M)

Медь/копель (56%Cu+44%Ni)

-200-+100

-6,15-+4,72


Частота применения того или иного преобразователя температуры зависит от частоты применения измеряемого диапазона и необходимой погрешности.

1.1.2.Погрешности термоэлектропреобразователей
Погрешности стандартных часто применяемых ТЭП, приведены в табл. 2.

Табл. 2.

Тип ТП

Диапазон

температур, ˚С

Предел допускаемых

отклонений ?Е, мВ

ТПП

0-+300

+300-+1600

0,008

±[0,008+2,69*10е-5*(t-300)]

ТХА

-200-0

0-+300

+300-+1300

± [0,080+0,30*10e-3*(t+200)]

±0,140

± [0,140+0,22*10e-3*(t-300)]

ТХК

-200-0

0-+300

+300-+800

± [0,100+0,20*10e-3*(t+200)]

± [0,140+0,20*10e-3*t]

± [0,200+0,52*10e-3*(t-300)]


В качестве вторичных приборов совместно с рассмотренными термопарами, выдающими нестандартный электрический сигнал, могут работать потенциометры или милливольтметры (см. рис.2). Работая совместно, они представляют собой измерительный канал по температуре (это относится так же к ниже рассмотренным термометрам сопротивления). Используется измерительный канал в случае необходимости дистанционной передачи информационного сигнала. Например, сигнал может передаваться в информационно- измерительную систему или систему управления, которая располагаются в специальном здании, в пункте управления, называемым операторной.


ТЭДС, развиваемую ТЭП обычно измеряют потенциометрическим методом.


Рис. 2. Измерительный канал температуры (ТЭП).
Кроме вышеописанных типов термопар, выпускаются ТЭП с унифицированным выходным сигналом 0ч5, 4ч20 мА (ТППУ на пределы от 600 до 1300 °С) и др.

В качестве вторичных приборов для таких датчиков могут применяться любые вторичные приборы, обладающие стандартным (унифицированным) входным сигналом или информационно-измерительная система.
1.1.3. Международные градуировочные характеристики ТЭП
По международным обозначениям приняты 9 стандартных градуировочных характеристик, соответствующих МТШ – 90, а также эталонные термопары типов ТПП и ТПР с индивидуальными градуировочными характеристиками.

Стандартные международные градуировочные характеристики соотносятся с характеристиками по ГОСТ Р 8.585 следующим образом (см. табл.3.):

Табл.3.

Термопары с НСХ


Тип

Тип В (платинородий 30% / платинородий 6%)

ТПР

Тип Е (хромель / константан)

ТХКн

Тип J (железо /константан)

ТЖКн

Тип К (хромель / алюмель)

ТХА

Тип L (хромель / копель)

ТХК

Тип N (нихросил / нисил)

ТНН

Тип R (платинородий 13% / платина)

ТПП

Тип S (платинородий 10% / платина)

ТПП

Тип T (медь / константан)

ТМКн


Пределы допускаемой основной погрешности преобразования этих термопар представлены в следующей табл. 4:

Табл. 4.

Тип

термопар

Диапазон температур, 0С

Погрешность преобразования,0С, не более

B

+350 … +1820

±0,2

E

-200 … +1000

±0,2

J

-210 … +900

±0,2

K

-200 … +1372

±0,2

L

-200 … +800

±0,2

N

-200 … +1300

±0,2

R

0 … +1768

±0,2

S

0 … +1768

±0,2

T

-200 . +400

±0,2



На современных предприятиях работают ТЭП как со стандартными номинальными, так и международными градуировочными характеристиками.

1.2. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТЕРМОМЕТРОВ

СОПРОТИВЛЕНИЯ

Измерение температуры термометром сопротивления (ТС) основано на изменении электрического сопротивления проводника с изменением температуры. Зная зависимость сопротивления от температуры, можно по его изменению определить температуру среды, в которую помещен ТС.

Известно, что при увеличении температуры сопротивление ряда чистых металлов возрастает, а полупроводников (терморезисторов) снижается. Металлическое сопротивление широко используется для измерения температур в промышленных и лабораторных условиях.

Зависимость сопротивления металлов от температуры в небольшом интервале температур можно приближенно выразить уравнением: (8),

где Rt – сопротивление металлического проводника при температуре t оС;

- сопротивление металлического проводника при температуре оС;

- интервал изменения температуры;

- коэффициент температурного сопротивления.

Для изготовления ТС наиболее пригодны по своим физико-химическим свойствам платина и медь.

Для платины: a pt » 3,9  10 -3 (оС )-1

Для меди: a сu = 4,28  10 -3 (оС )-1

Зависимость между сопротивлением и температурой для ТС различных типов дается в градуировочных таблицах.

Помимо перечисленных, используются термометры сопротивления никелевые ТСН, но частота их применения по сравнению с ТСП и ТСМ невелика.

Характеристики названных приборов приведены в табл. 5.

Табл. 5.

Подгруппа

ТС

Ro, Ом

Условное обозначение НСХ

Диапазон

температур

российское

международное

tmin, оС

tmax , оС

ТСП

50

50П

Pt 50

-260

+850

100

100П

Pt 100

-260

+850

ТСМ

50

50М

Cu 50

-200

+200

100

100М

Cu 100

-200

+200

ТСН

100

100Н

Ni 100

-60

+180


Чувствительный элемент ТС (1) представляет собой тонкую медную, платиновую или никелевую проволоку, намотанную бифилярно (двунаправлено) на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас. В целях предохранения от внешних воздействий чувствительные элементы ТС заключают в металлическую трубку 2 с литой головкой, в которой смонтированы выводы 4 концов обмотки для их подключения к соединительным проводам. Вход проводов в корпус ТС заливается термоцементом или смолой для изоляции чувствительных элементов (ЧЭ) от воздействия окружающей среды, в которой могут находиться пары веществ, разрушающие поверхность ЧЭ и изменяющие рабочие характеристики ТС.

Для удобства эксплуатации в системах автоматического контроля и управления одном корпусе прибора могут располагаться два чувствительных элемента. Применяют такие ТС в аппаратах, работающих под высоким давлением или температурой, а так же в контурах, требующих дублирования (подтверждения) текущей информации о технологическом процессе. Последний случай имеет место в дублированных или троированных системах управления, то есть там, где достоверность информации имеет первостепенное значение.
Принципиальная схема термометра сопротивления представлена на рис.3.

На схеме:

L – длина погружной части арматуры;

l – длина выступающей части.
Цифрами обозначены:

1- теплочувствительный элемент;

2 – трубка;

3 – защитный чехол;

4 – выводы;

5 – штуцер;

6 – выступающая часть защитной арматуры;

7 – вкладыш;

8 – головка;

9 – штуцер для подвода соединительных проводов.



Рис. 3 Общий вид термометра сопротивления.

Пределы допускаемой основной погрешности преобразования ТС представлены в табл. 6 и 7

Табл. 6.

Тип термометра сопротивления

Диапазон температур, 0С

Погрешность преобразования, 0С, не более

Pt? 10

-200 … +600

±0,016

Pt? 50

-200 … +600

±0,011

Pt? 100

-200 … +600

±0,011

Cu? 10

-10 … +200

±0,009

Cu? 50

-10 … +200

±0,006

Cu? 100

-10 … +200

±0,005

Табл. 7.

Подгруппа ТС

Допускаемое отклонение Ro для классов допуска, %

А

В

С

ТСП

0,005

0,1

0,2

ТСМ

0,05

0,1

0,2

ТСН

-

-

0,24


Определение допускаемых отклонений температуры указываются в табл. 8.: Таблица 7

Табл. 8.

Подгруппа ТС

Класс допуска

Допуск, єС

ТСП

А

?t=±(0,15+0,002*| t| )

В

?t=±(0,3+0,005*| t| )

С

?t=±(0,16+0,008*| t| )

ТСМ

А

?t=±(0,15+0,0015*| t| )

В

?t=±(0,25+0,0035*| t| )

С

?t=±(0,15+0,0065*| t| )

В качестве вторичных приборов в комплекте с ТС применяют обычно уравновешенные мосты (см. рисунок 4.).

Рисунок 4. Измерительный канал температуры.
В настоящее время управление производственными процессами переоборудуются с использованием новых микропроцессорных систем автоматического контроля и управления. При вводе сигналов в систему необходимо, чтобы они имели стандартные числовые характеристики, то есть были унифицированными. Для этого сигналы получаемые от ТС и ТЭП проводят через нормирующие преобразователи (соответственно для ТС и ТЭП) или барьеры, обладающими функциями нормирующих преобразователей. Так же ТС и ТЭП могут быть подключены к специальным вводам процессора «для ТП и ТЭП» для последующей обработки по программам нормирования, «зашитым» в процессоре.

Тема 2: Поверка датчиков температуры.
Цель работы: Изучение принципа действия датчиков температуры и работы метрологического стенда для поверки, калибровки и ремонта датчиков температуры и вторичных приборов.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ

При измерении температуры важно качество получаемой информации, то есть качества измерений. Для оценки качества измерений необходимо оценить качество работы измерительных приборов, для этого определяют номинальные метрологические характеристики средств измерений по паспортным данным СИ и реальные характеристики СИ, полученные во время эксперимента. На основании полученных данных проводят поверку и калибровку СИ.

Поверкой называется операция, заключающаяся в установлении пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и контроля их соответствия предъявляемым требованиям. Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке СИ, является его погрешность. Она находится на основании сравнения поверяемого СИ с более точным СИ – рабочим эталоном.

Важным при поверке является выбор оптимального соотношения между допускаемыми погрешностями образцового и поверяемого СИ. Если же поправки не вводят, то образцовые СИ выбираются из соотношения 1:5.
2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ «стенд для поверки, датчиков температуры и измерительных каналов температуры»


Рис 5. Общий вид стенда.
Структурная схема метрологического стенда для поверки, калибровки, ремонта (далее по тексту – стенд) датчиков температуры и вторичных приборов приведена на рис.6.


Рис 6. Структурная схема стенда.
Стенд включает в себя: стол рабочий, с установленными на нем приборами. Поверяемые датчики температуры, ТС 2 и ТЭП 3, образцовый датчик температуры 1 помещаются в тепловой объект 4.

Выходные сигналы от поверяемых датчиков температуры поступают на вторичные преобразователи 5,6. Далее подаются на цифровой термометр Ремиконт 7, используемый в качестве показывающего прибора.


2.1. Тепловой объект

Устройство теплового объекта представлено на рис 7.

Тепловой объект выполнен в настольном варианте. Его конструкция состоит нагревающего элемента (рис. 7), помещенного в корпус 1. Принцип действия основан на нагреве рабочей жидкости, в качестве которой используется вода, с помощью нагревательного элемента. Охлаждение – с помощью охлаждающей воды, которая подается по трубке 2. Регулирование подачи охлаждающей жидкости производится с помощью крана 3 (ранее по тексту 12).

Циркуляционный насос 4 перемешивает жидкость в резервуаре. Излишки теплоносителя из резервуара через сливной шланг 5 переливаются в канализацию. Благодаря этому имеется возможность задать нужную t.

Рис. 7

Текущее значение температуры индицируется с помощью эталонного термометра 6, расположенного в резервуаре.

Так как тепловой объект рассчитан на 3 поверяемых датчика, то помимо эталонного в термостат помещены поверяемые датчики температуры: термометр сопротивления и термоэлектропреобразователь.

3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ СТЕНДА

3.1. Образцовый датчик температуры

Для проведения поверки необходимо, чтобы разница между значениями классов точности образцового и поверяемого термометров отличалась не менее, чем в 5-10 раз.

В качестве эталонного датчика температуры используется ртутный термометр Гост 215-73 тл-4 Диапазон работы такого термометра составляет от 0 до 55 0С, погрешность работы такого термометра составляет не более 0,1 0С.
3.2. Поверяемые датчики температуры
Вторичные преобразователи температуры

ТЭП – 0179

Диапазон измерений 0 – 100 0С


Табельный номер

504

Тип первичного преобразователя

XK(L)

Класс точности

0,6

Значение входного сигнала

0 6,842 мВ

Значение выходного сигнала

4 - 20 мА

Напряжения питания переменного тока

220 В

50 Гц



1 кОм

Тип

П282


ТСП – 5071

Диапазон измерений 0 – 100 0С


Табельный номер

702

Тип первичного преобразователя

ТСП

Класс точности

0,5

Значение входного сигнала

46 63,99 Ом

Значение выходного сигнала

4 - 20 мА

Напряжения питания переменного тока

220 В

50 Гц



2,5 кОм

Тип

П282А



3.4. Ремиконт

Напряжение питания

Класс точности
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1. Ознакомиться с принципом действия, устройством датчиков температуры, устройством стенда, а так же с методикой поверки термометров сопротивления и термоэлектрических преобразователей.




  1. После осмотра внешнего состояния стенда лаборантом или преподавателем и с их разрешения начать выполнение работы.



  1. Подать электрическое питание на стенд тумблера стенд №3 вкл., расположенного в блоке выключателей 8.




  1. Получить у преподавателя номер варианта согласно таблицы №10 (см приложение).




  1. Открыв кран 12 залить воду в тепловой объект 4. вода заливается до тех пор, пока излишки не польются через сливное отверстие.




  1. Включить нагревательный элемент и мешалку тумблерами нагрев и мешалка в блоке выключателей 8.




  1. Для проведения работы заданный диапазон разбить на 4 равных промежутка (5 контрольных точек) и записать эти значения в таблицу №1.




  1. Дождаться момента когда на табло Ремиконта температура достигнет заданного значения.




  1. При достижении заданного значения температуры, снять показания поверяемых ТС и ТЭП с Ремиконта, а также эталонного термометра.

Примечание: На Ремиконте имеется кнопка No, отвечающая за переключение показывающего табло с одного измерительного канала на другой.


  1. Полученные данные занести в таблицу 9. Повторить действия описанные выше для всех контрольных точек




  1. После проведения лабораторной работы отключить питание всех приборов, а также самого стенда в последовательности, обратной включению.




  1. Вычислить погрешности измерительных датчиков температуры (п.3.3 Вычисление погрешностей).




  1. Сравнить и проанализировать полученные данные, после чего сделать вывод о пригодности приборов к эксплуатации.




  1. По результатам измерений составить протокол поверки каждого датчика в отдельности с указанием типа датчика и его заводского номера (если он указан на приборе).




  1. Составить отчет о проделанной работе по представленному ниже образцу.




  1. Подготовиться к сдаче л/р ответив на контрольные вопросы.

5.Порядок оформления работы

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1. Наименование работы;

2. Цель работы;

3. Рисунок установки (блок-схема);

4. Таблицу № 9 с результатами измерений;

5. Пример расчетов по значениям, сформировавшим вывод;

6. Результаты поверки ТС и ТЭП (вывод) с полным указанием всех характеристик поверяемых приборов.
Таблица результатов поверки термометров
Табл. № 9



п/п

Показания

Погрешности

Эталон, оС

ТС,

оС

ТЭП,

оС

Абсолютные

оС

Приведенные,

%

1
















2
















3
















4
















5

















В Ы В О Д Ы:
6. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИГОДНОСТИ ПРИБОРОВ К ЭКСПЛУАТАЦИИ.

Для поверяемых термометров определить преобладание аддитивной или мультипликативной составляющих погрешности. В зависимости от преобладающей погрешности рассчитать значимые погрешности:

В общем случае погрешности можно рассчитать по формулам:

Абсолютная погрешность (9) измеряемого прибора определяется как разность между его показанием и действительным значением измеряемой величины, полученным с образцового прибора. Она выражается в единицах измеряемой величины: (9),

где Аи - показание измерительного прибора;

Ад - действительное значение измеряемой величины.
Относительная погрешность (10) выражается в процентах и определяется по формуле:

(10)

Она выражается в процентах или долях.
Приведенной относительной (11) погрешностью называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению измерительного прибора N: (11)

Вывод: По результатам расчетов формулируются выводы о пригодности приборов к дальнейшей эксплуатации на период не менее полугода и записываются в соответствующий раздел с указанием числовых значений погрешностей, по которым был сделан вывод и допустимых погрешностей, указанных в технических характеристиках поверяемого прибора.
7. Контрольные вопросы

1. На каком свойстве основан принцип действия термометра сопротивления и термоэлектропреобразователя? Составьте их сравнительную характеристику.
2. Расскажите об устройство и маркировке термометров сопротивления и ТЭП?
3. Из каких характеристик складывается классификация термометров сопротивления. На какие характеристики необходимо обратить внимание при подборе этих датчиков?
5. Как определяются погрешности измерительных преобразователей температуры?
6. Из каких элементов состоит стенд по поверке датчиков температуры? Охарактеризуйте роли этих приборов в работе стенда.
7.Каким образом соотносятся НСХ термоэлектропреобразователей по ГОСТ Р 8.585 со стандартными международными градуировочными характеристиками?
8. Основным элементом стенда является термостат. Поясните принципы: нагревания-охлаждения рабочей жидкости в аппарате.
9. Дайте определение измерительному каналу. С какой целью он создается?
10. Какие вторичные приборы могут работать с ТЭП? Поясните свой выбор.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


  1. Сергеев А.Г., Крохин В.В, Метрология: учеб. Пособие для вузов. -М.: Логос, 2001.-408с.:ил. Стр.89.




  1. Кулаков М.В., Технологические измерения и приборы для химических производств. Учебник для вузов по специальности «Автоматизация и комплексная механизация химико-технологических процессов». 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Машиностроение, 1983. – 424 с.




  1. Лапшенков Г.И., Полоцкий Л. М., Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. Технические средства и лабораторные работы. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Химия, 1988. – 288 с




  1. Каталоги по температуре промышленного концерна «Метран».


СОДЕРЖАНИЕ


Введение




Тема 1: Изучение принципа действия и устройства первичных преобразователей температуры.

4

1 Датчики температуры

3

1.1 Преобразователи термоэлектрические

4

      1. Классификация и условия работы термоэлектропреобразователей (по ГОСТ Р 8.585)

7

1.1.2.

12

1.2 Устройство и работа термометров сопротивления




Тема 2: Поверка и калибровка датчиков температуры.

17

1 Основные понятия метрологии

20

2 Описание установки и методика проведения работы «стенды для поверки датчиков температуры и вторичных приборов

17

3 Описание, основные технические характеристики и параметры стенда

22

3.1

25

3.2 Образцовый датчик температуры

26

3.3 Поверяемые датчики температуры

27




28




31

4 Порядок выполнения работы

34

5 Порядок оформления работы

36

6 Вычисление погрешностей и определение приборов к эксплуатации

37

7 Контрольные вопросы

38

Приложение

40







Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации