Поиск по базе сайта:
Методические указания к лабораторной работе 4 идентификация термоэлектрического термометра для студентов специальности 210100 Управление и информатика в технических системах icon

Методические указания к лабораторной работе 4 идентификация термоэлектрического термометра для студентов специальности 210100 Управление и информатика в технических системах




Скачати 190.23 Kb.
НазваМетодические указания к лабораторной работе 4 идентификация термоэлектрического термометра для студентов специальности 210100 Управление и информатика в технических системах
Дата конвертації05.01.2013
Розмір190.23 Kb.
ТипМетодические указания


Министерство образования Российской Федерации


Кубанский государственный технологический университет


Кафедра автоматизации производственных процессов


ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ


Методические указания к лабораторной работе 5.4

ИДЕНТИФИКАЦИЯ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕРМОМЕТРА


для студентов специальности 210100 - Управление

и информатика в технических системах


Краснодар

2003

Составитель канд. техн. наук доцент В.В.Осокин




Метрология, стандартизация и сертификация: Методические указания к лабораторной работе 5.4 - Идентификация термоэлектрического термометра- для студентов специальности 210100-Управление и информатика в технических системах дневной и заочной форм обучения /Кубан. гос. технол. ун-т; Сост. В.В. Осокин. - Краснодар, 2003.- 10 с.


Приведены цели лабораторной работы и общие сведения, содержащие основные теоретические положения, относящиеся к рассматриваемым вопросам; дано описание лабораторной установки; указаны требования техники безопасности; приведен порядок выполнения работы; сформулированы требования к оформлению отчета, контрольные вопросы; дан список рекомендуемой литературы.

Продолжительность лабораторной работы составляет 4 академических часа, в том числе: экспериментальная часть - 2 часа, расчетно-аналитическая часть - 2 часа.


Библиогр.: 3 назв.


Рецензент канд. техн. наук, доцент Шелишпанский Б.В.


^

Нормативные ссылки



В методических указаниях к лабораторной работе 5.4 - Идентификация термоэлектрического термометра - использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 2.301-68 ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 21.101-97 СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации.

ГОСТ 6616-74 Преобразователи термоэлектрические ГСП. Общие технические условия.

ГОСТ 13384-81 Преобразователи измерительные для термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей сопротивления ГСП. Общие технические условия.

ГОСТ Р 50431-92 (МЭК 584-1-77) Термопары. Часть 1. Номинальные статические характеристики преобразования.

РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Термины и определения.


1 Цели работы


Изучить экспериментальный метод идентификации термоэлектрического термометра, основанный на использовании кривой разгона.

Изучить методику обработки экспериментальных данных.


2 Общие сведения


Термоэлектрический термометр, исследуемый в лабораторной работе, включает в себя: датчик – термоэлектрический преобразователь типа ТХК-0515 по ГОСТ 6616, нормирующий преобразователь типа ПТ-ТП-68 по ГОСТ 13384 и вторичный цифровой микропроцессорный прибор типа ТРМ1-PiC [ 1 ].

Термоэлектрический преобразователь ТХК-0515 имеет номинальную статическую характеристику преобразования ХК(L) по ГОСТ Р 50431.

Нормирующий преобразователь типа ПТ-ТП-68 имеет диапазон измерений: по температуре от 0 до 300 оС, по термоЭДС - от 0 до 22,839 мВ.

Вторичный цифровой микропроцессорный прибор типа ТРМ1-PiC настроен на показания значений постоянного тока, изменяющиеся в диапазоне от 0 до 5 мА.

В лабораторной работе рассматривается методика обработки кривой разгона, т.е. полученной экспериментально характеристики изменения во времени выходной величины термометра при ступенчатом изменении его входной величины. В процессе обработки кривая разгона по определенному правилу заменяется мало отличающейся от нее переходной характеристикой, которая, в свою очередь, является решением некоторого дифференциального уравнения. Такая операция называется аппроксимацией кривой разгона. Можно считать, что это дифференциальное уравнение является адекватной математической моделью динамики данного элемента, если максимальное отклонение аппроксимирующей переходной характеристики от кривой разгона не превышает  5 % от нового установившегося значения выходной величины.

Доказано, что в качестве математических моделей динамики средств измерений могут быть приняты линейные дифференциальные неоднородные уравнения с постоянными коэффициентами [ 2 ]. В частности, динамические свойства термоэлектрического термометра описываются дифференциальным уравнением второго порядка

(1)

где T22 - постоянная времени, с2;

T1 - постоянная времени, с;

К - коэффициент передачи, мА/оС;

N(t) - временная функция изменения показаний вторичного прибора (выходной величины);

 (t) - временная функция изменения температуры (входной величины).

^

Соответствующая уравнению (1) передаточная функция имеет вид


(2)

т.е. по динамическим свойствам термометр является инерционным звеном второго порядка.

Коэффициент передачи ^ К и постоянные времени T22 и T1 - это параметры математической модели, подлежащие определению при выполнении лабораторной работы.

Если быстро перенести датчик - термоэлектрический преобразователь из нагретого термостата в сосуд с холодной водой, то его входная величина - температура изменится ступенчато от начального значения н до конечного значения к, а выходная величина термометра - показания прибора N - будет изменяться значительно медленнее. Записанные через равные промежутки времени (5 с) показания, изменяющиеся от начального значения Nн до конечного значения Nк, будут представлять собой кривую разгона термометра. При построении кривой разгона принято показывать не текущие значения входной и выходной величин и N, а их отклонения от начальных значений:  =  - н; N = N – Nн.

Одним из методов определения значений параметров математической модели динамики термометра по его кривой разгона является "метод площадей", изложенный в монографии [ 3 ]. В соответствии с ним ось абсцисс над кривой разгона необходимо разбить на n равных по длине отрезков с интервалом времени t - так, чтобы на этих интервалах кривая разгона мало отличалась от прямой линии. В графу 1 таблицы 1 необходимо занести значения моментов времени ti, которым соответствуют фиксируемые показания Ni (в графе 2), при этом t0 = 0, t1 = t, t2 = 2t и т.д. В графу 3 нужно записать отклонения показаний прибора Ni от начального значения.

Затем значения отклонений Ni в конце каждого интервала следует разделить на установившееся значение Nуст и полученные значения

(3)

занести в графу 4 таблицы 1.

^

Таблица 1 - Промежуточные результаты расчетов

ti

Ni

Ni




1-

iQ

1-iQ

[1-](1-iQ)

1

2

3

4

5

6

7

8

t1







0

1

0

1

1

t2









1-

t/T1







t3









1-

2t/T1







t4









1-

3t/T1








Далее нужно рассчитать значения разностей [1-] и записать их в графу 5 таблицы 1. После этого может быть рассчитано значение постоянной времени Т1 по формуле

(4)

Затем необходимо ввести новую безразмерную переменную Q = t/T1, рассчитать значения произведений iQ и разностей [1 - ], где Q=t/T1, и записать их в графы 6, 7 таблицы 1. Далее нужно рассчитать значения произведений [1-](1-iQ) и записать результаты в графу 8 таблицы 1. После этого может быть рассчитано значение постоянной времени T22 по формуле

(5)

Проверка адекватности математической модели динамики термометра проводится сравнением ординат кривой разгона и переходной характеристики, являющейся решением уравнения (1) при значении входной величины (t) =  к -  н.

Вид переходной характеристики зависит от вида корней характеристического уравнения

(6)

Для термоэлектрического термометра корни характеристического уравнения будут отрицательными вещественными, т.е.

.
^

Тогда переходная функция может быть записана как


(7)

Для проверки адекватности математической модели динамики термометра необходимо рассчитать значения расхождений  между переходной характеристикой и кривой разгона, рассчитанные по формуле

. (8)

При выполнении условия макс <  5 % математическая модель динамики термометра считается адекватной.


3 Описание лабораторной установки


Лабораторная установка содержит: термоэлектрический термометр, состоящий из смонтированного на стенде 5 нормирующего преобразователя типа ПТ-ТП-68, подключаемого двумя проводами к смонтированному на стенде 6 вторичному прибору типа ТРМ1-PiC, и датчика типа ТХК-0515, подключаемого к преобразователю ПТ-ТП-68 гибким термоэлектродным проводом. Рядом со стендом 6 на подставке установлен термостат, около термостата находится сосуд с холодной водой.


4 Техника безопасности при выполнении лабораторной работы


Пакетные выключатели, с помощью которых подается напряжение питания к нормирующему преобразователю, к вторичному прибору и к термостату, запрещается включать без разрешения преподавателя.

Необходимо проявлять осторожность при переносе датчика из термостата в сосуд с холодной водой: нужно держать датчик за пластмассовую головку, не разливать воду из сосуда.

При проведении работы категорически запрещается прикасаться к токоведущим частям установки и клеммам.

На лабораторном столе не должно быть лишних посторонних предметов (пакетов, сумок, одежды, пищевых продуктов).

Категорически запрещается выполнять какие-либо переключения в схеме на лабораторной установке без согласования с преподавателем.


5 Порядок выполнения работы


5.1 Подготовьте лабораторную установку к проведению эксперимента, выполните для этого следующие операции:

- начертите заготовку таблицы 1 для записей результатов наблюдений и расчетов, укажите в графе 1 значения времени с интервалом 4 с;

- поместите датчик ТХК-0515 в вертикальное отверстие термостата;

- после включения преподавателем питания нормирующего преобразователя, вторичного прибора и термостата проследите за возрастающими показаниями прибора до достижения ими значений 1,1…1,2 мА.

5.2 Проведите эксперимент по снятию кривой разгона термометра, выполните для этого следующие операции:

- выключите электропитание термостата;

- быстро перенесите датчик ТХК-0515 из нагретого термостата в сосуд с холодной водой, отсчитывайте показания прибора Ni через каждые 4 секунды (в соответствии с ритмом изменения показаний прибора) и записывайте их в графу 2 таблицы - до тех пор, пока не будет достигнуто новое установившееся значение Nк;

- выключите электропитание вторичного прибора и нормирующего преобразователя.

5.3 Проведите обработку экспериментальных данных, выполните для этого следующие операции:

- рассчитайте значения изменений показаний прибора Ni, соответствующие значениям Ni, по формуле

Ni = Ni - Nн

и запишите их в графу 3 таблицы 1;

- выполните расчет значений параметров математической модели динамики термометра; при этом размер ступенчатого изменения температуры на входе термометра о = к - н ; конечное к и начальное н значения температуры определите, используя номинальную статическую характеристику преобразования типа L (приведена в таблице А.1 приложения А) и учитывая, что статическая характеристика преобразователя ПТ-ТП-68 является линейной; характеристику датчика ТХК-0515 на интервале о также условно считайте линейной;

- проверьте выполнение условий адекватности математической модели динамики термометра; при этом значения Nрасч(ti), рассчитанные формуле ( 7 ), запишите в графу 4 таблицы 2; значения расхождения  между переходной характеристикой и кривой разгона, запишите в графу 5 таблицы 2;

^

Таблица 2 - Исходные данные и результаты проверки адекватности


ti, c

Ni, мА

Ni, мА

Nрасч(ti), мА

, %

1

2

3

4

5

0













t













2t













3t














- проверьте выполнение условия макс <  5 %; сделайте заключение об адекватности математической модели динамики термометра.


6 Содержание отчета


Отчет о лабораторной работе должен содержать название работы и следующие разделы: цели работы; технические данные используемых средств измерений (тип, диапазон измерений, класс точности); инструкцию для оператора по выполнению работы; результаты работы: таблицы 1 и 2, графики изменений  (t) и N(t); график переходной характеристики, построенный рядом с кривой разгона, заключение о результатах проверки адекватности математической модели динамики термометра.

Отчет должен быть оформлен на листах бумаги формата А4 по ГОСТ 2.301, снабженных рамкой и основной надписью по ГОСТ 21.101.


7 Контрольные вопросы


1) В чем состоит суть экспериментального активного метода получения математических моделей динамики элементов?

2) Что называется кривой разгона?

3) Что понимается под аппроксимацией кривой разгона?

4) Какая математическая модель динамики считается адекватной?

5) Что называется коэффициентом передачи элемента?

6) Как реализуется метод площадей при определении параметров математической модели динамики элемента?

7) Как реализуется процедура проверки адекватности математической модели динамики элемента?

8) Как аналитически решается дифференциальное уравнение второго порядка?

9) В чем состоит принцип измерений температуры термоэлектрическими термометрами?

10) Как могут быть представлены в аналитической, графической и табличной формах статические характеристики термоэлектрических преобразователей?

11) Как изменится передаточная функция термометра, если при снятии кривой разгона датчик переместить из сосуда с холодной водой в нагретый термостат?

12) Как может быть записана упрощенная передаточная функция термометра, представленного в виде инерционного звена первого порядка?

13) Как может быть построен график изменения показаний термометра во времени при импульсном изменении температуры?

14) Какими могут быть структурные схемы подсистем ввода в вычислительный комплекс аналоговых сигналов от термоэлектрических термометров?

^

Список литературы



1 Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы/., Л.В.Илясов, А.Ю.Азим-Заде.-М.: Высш. школа, 1989.-456 с.

2 Соколов В.А. Автоматизация технологических процессов пищевой промышленности.-М.: Агропромиздат, 1991.-445 с.

3 Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов.-М.: Энергия, 1972.-376 с.


Приложение А
^

Номинальная статическая характеристика преобразования типа L



Таблица А.1 – НСХ преобразования типа L для хромель-копелевых термоэлектрических преобразователей

Температура, оС

Значение термоЭДС, мВ, для температуры, оС

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

минус 50

-3,004

…..

























…..































0

0

0,063

0,127

0,190

0,254

0,318

0,382

0,446

0,510

0,574

10

0,639

0,703

0,768

0,833

0,898

0,963

1,028

1,093

1,158

1,224

20

1,289

1,355

1,421

1,487

1,553

1,619

1,685

1,751

1,818

1,884

30

1,951

2,018

2,085

2,152

2,219

2,286

2,253

2,420

2,488

2,556

40

2,623

2,691

2,759

2,827

2,895

2,963

3,032

3,100

3,168

3,237

50

3,306

3,375

3,443

3,512

3,582

3,651

3,720

3,789

3,859

3,928

60

3,998

4,068

4,138

4,208

4,278

4,348

4,418

4,489

4,559

4,630

70

4,700

4,771

4,842

4,913

4,984

5,055

5,126

5,197

5,268

5,340

80

5,411

5,483

5,555

5,626

5,698

5,770

5,842

5,914

5,987

6,059

90

6,131

6,204

6,276

6,349

6,422

6,495

6,567

6,640

6,714

6,787

100

6,860

…..

























…..































150

10,621

…..

























…..































200

14,557

…..

























…..































300

22,839
































Схожі:




База даних захищена авторським правом ©lib.exdat.com
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації