42199

Калібрування і повірка термометрів опору

Лабораторная работа

Физика

Засвоїти методику отримання практичних навиків при проведенні досліджень динамічних характеристик термометрів опору при нагріванні і охолодженні повірці термометрів опору та калібруванні напівпровідникових термометрів опору термісторів.2 Програма роботи Під час заняття студент повинен ознайомитись з будовою та принципом дії термометрів опору. Визначити динамічну похибку термометрів опору типу ТСП і ТСМ.

Украинкский

2013-10-27

286.5 KB

27 чел.

Лабораторна робота №6

Калібрування і повірка термометрів опору

6.1 Мета роботи

Ознайомлення з принципом, застосуванням і конструктивними особливостями пристроїв для вимірювання температури. Засвоїти методику отримання практичних навиків при проведенні досліджень динамічних характеристик термометрів опору при нагріванні і охолодженні, повірці термометрів опору та калібруванні напівпровідникових термометрів опору (термісторів).

6.2 Програма роботи

Під час заняття студент повинен ознайомитись з будовою та принципом дії термометрів опору. Визначити динамічну похибку термометрів опору типу ТСП і ТСМ. Дослідити динамічний режим роботи ТОМ і ТОП. Провести калібрування напівпровідникового термістора. За отриманими даними здійснити обробку результатів досліджень, представити результати і висновки.

6.3 Основні теоретичні положення, необхідні для виконання роботи. Опис схеми устаткування

Температура — один з найважливіших параметрів фізичних процесів, разом з тиском і об’ємом характеризує термодинамічний стан об'єкта, пов’язана з його внутрішньою енергією і має безумовний вплив на його фізичні властивості. Вимірювання температури в нафтогазовій галузі може здійснюватися при обробці призабійної зони свердловини, переробці, транспортуванні і обліку нафти і газу. Діапазон і умови вимірювання контрольованих температур надзвичайно різноманітні, що обумовлюють багаточисельність і різноманітність методів і засобів температурних вимірювань. В практиці вимірювань температури використовують термодинамічну шкалу з одиницею вимірювання — градус Кельвіна (К)  і міжнародну практичну температурну шкалу з одиницею вимірювання — градус Цельсія (˚С) [5].

Можливість вимірювання температури базується на явищах теплообміну і передачі тепла між різноманітними тілами. В залежності від наявності або відсутності контакту термочутливого елемента і об'єкта дослідження можна класифікувати контактні і безконтактні методи і засоби вимірювань. В залежності від механізму передачі енергії від об’єкта до термоперетворювача методи і засоби вимірювання (ЗВ) температури класифікують  на термометричні, пірометричні, електростатичні. В нафтогазовій галузі найпоширеніші термометричні ЗВ, в яких енергообмін, в основному, здійснюється шляхом теплопровідності і конвенції. Вимірювальні засоби базуються на зміні фізичних властивостей різних речовин в залежності від зміни температури. Така функціональна залежність покладена в основу ЗВ температури і визначає принцип вимірювання.

По принципу дії в практиці вимірювань температури використовуються ЗВ, основані на вимірюванні:

  •  об'єму тіла або лінійних розмірів твердих тіл (термометри розширення);
  •  тиску робочої речовини в замкнутій камері (манометричні термометри);
  •  електричного опору провідників і напівпровідників (термометри опору);
  •  термоелектрорушійної сили (термоелектричні термометри);
  •  енергії випромінювання нагрітих тіл (пірометри випромінювання)[7].

Контактні термометри розширення (І група — дилатометричні і біметалеві; рідинні) найбільш розповсюджений тип термометрів з граничною температурою вимірювань 500-1000˚С. Термометри другої групи (рідинні, газові, конденсаційні) широко використовуються для вимірювання температур до 500˚С. Однак, суттєвим недоліком цих термометрів є неможливість передачі і обробки вимірювальної інформації в системах. В інформаційно-вимірювальних системах, робочим параметром в яких є температура, що змінюється в широкому робочому діапазоні (до 2000˚С), підвищених вимогах до точності і динамічних властивостей робочого об'єкта використовують термоелектричні термометри (термопари). Пірометри випромінювання застосовують в області високих температур (від 500˚С і вище).

Точність вимірювання температури є невелика, так при визначенні фундаментальних фізичних констант похибка вимірювання температури – 10-2-10-4%. Промислові засоби вимірювання температури забезпечують похибку вимірювань 0.5-1% і більше.

Контактні методи і ЗВ застосовуються для вимірювання температур в діапазоні від значень, близьких до абсолютного нуля до 1500˚С, в багатьох випадках при цьому використовують термометри опору (ТО). В основі вимірювань з допомогою ТО лежить властивість провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при зміні температури досліджуваного об'єкта, причому провідники (метали) свій опір збільшують, а напівпровідники навпаки — зменшують при збільшенні власної температури. В більшості випадків для чистих металів збільшення опору становить 0.4-0.6% на 1˚С. Напівпровідникові термометри опору (термістори або терморезистори) можуть бути як з додатнім, так і з від'ємним температурним коефіцієнтом опору (ТКО) і виготовляються з кристалів напівпровідника (НП) (в основному — германію). Функціональна залежність електричного опору НП від температури — експоненціальна. Характерним для термісторів є невеликий робочий інтервал температур, недостатня лінійність і велика чутливість, що обумовлює їх застосування без додаткового підсилення як в лабораторних дослідженнях, так і у виробничій практиці; коливання опору терморезисторів становить від 1 кОм до 1 МОм, а це дозволяє знехтувати опором з'єднювальних провідників, однак необхідно врахувати складність у їх виготовленні.

Характерним для термісторів є індивідуальна нестабільність їх параметрів і характеристики, тому при їх використанні немає стандартних таблиць калібрування. При застосуванні термістора для вимірювання температури необхідне визначення індивідуальної калібрувальної таблиці, або характеристики, для чого з допомогою еталонних засобів визначається відповідність активного опору і значення температури через певні проміжки в межах робочого діапазону. Таким чином, при застосуванні термісторів важливе розуміння і навики визначення функціональної залежності  Rt=f(t), так і її застосування в практиці вимірювань.

До металу — чутливого елемента  ТО визначені слідуючі вимоги: хімічна стійкість; велика чутливість по ТКО; великий питомий електричний опір; лінійність вихідної характеристики, виходячи з цього найпоширенішими матеріалами в ТО є платина, мідь, нікель, залізо. Вказані метали мають стабільну функціональну залежність опору провідника від його температури — Rt=f(t), тому здійснивши вимірювання електричного опору з допомогою вторинного ЗВ (в основному мостового) з допомогою калібрувальної характеристики можна визначити температуру ТО, а значить і обєкта.

Функціональна залежність  Rt=f(t) для термометрів опору визначається експериментально (через складність аналітичного визначення) і є основою для визначення температури обєкта. В залежності від необхідних умов (термоперетворювач, діапазон, точність) при цьому може використовуватись або калібрувальна таблиця, або поліноміальна апроксимація. Степінь апроксимуючого поліному також в великій мірі залежить від цих факторів. Для ТОП і ТОМ при невеликому діапазоні (приблизно до 100С) і невеликих вимогах до точності можна використовувати лінійну апроксимацію. Також при неширокому температурному діапазоні рекомендується і використовують на практиці калібрувальну характеристику. При визначенні коефіцієнтів поліномінальної апроксимації  Rt=f(t) використовують сумісні вимірювання, в яких проводять одночасні вимірювання кількох неоднойменних величин, з метою визначення функціональної залежності між ними. При визначенні квадратичної апроксимації  Rt=Ro(1+at+bt2) залежності  Rt=f(t) проводять вимірювання R термометра опору при трьох різних температурах, складають і розв’язують систему з трьох рівнянь, розв’язком якої є значення Ro, a, b.

Найвищу точність забезпечують платинові термометри опору (ТОП), тому їх застосовують як еталонні при повірках і в точних вимірюваннях в діапазоні температур від

-200˚С до +650˚С. З достатньою для практики точністю функціональна залежність опору провідників від температури в межах від 0 до 650˚С описується поліномом другого степеня:

Rt=Ro(1+at+bt2),

(6.1)

де Rt, R0опір платини при температурах рівних t і 0˚С;

    а, b — функціональні постійні, визначені калібруванням термометра     при певних умовах (а=3.96847·10-3 1/˚С; b=-5.847·10-7 1/˚С2).

Окреме застосування мають також мідні термометри опору (ТОМ) для вимірювання температури від –50 до 180˚С. До особливостей мідних термометрів опору слід віднести: нижча вартість, високий температурний коефіцієнт і лінійність залежності опору від температури, а також легка окислюваність міді при температурі вищій 100˚С. Нікелеві і залізні термометри опору використовуються як нестандартні. Термометр опору являє собою чутливий елемент з термочутливої спіралі, намотаної на діелектрик, які для ізоляції від контрольованого середовища розміщуються в захисній арматурі. В головці термометра розміщена контактна колодка з виводами для під'єднання до вимірювальної схеми. В залежності від матеріалу ТО і номінального опору при 0˚С прийняті і використовуються калібрувальні характеристики:

ТОП: гр.20, гр.21, гр.22, номінальний опір R0 для яких складає 10, 46,  100 Ом відповідно;

ТОМ: гр.23, гр.24, з R0 рівним 53 і 100 Ом відповідно.

При повірці термометрів опору використовують наступні операції:

  •  зовнішній огляд;
  •  визначення опору ізоляції;
  •  калібрування ТО в реперних точках міжнародної практичної температурної шкали (потрійна точка води, точка кипіння води) – згідно ГОСТ 8.427-81 [8].

При зовнішньому огляді превіряється справність ізоляції, затискачів, контактної стрічки, слюдяних прокладок. При перевірці ізоляції встановлюється, чи електричний опір між чутливим елементом і захисною арматурою є не меншим 20 МОм. Перевірка опору в реперних точках встановлює відповідність опору термометра калібрувальним даним. Дійсне значення температури визначається методом звірювання з допомогою етелонних термометрів. По відомих значеннях виміряних опорів визначають їх відхилення від дійсних значень і роблять висновки про відповідність ТО, що повіряється, нормативним вимогам.

При вимірюванні змінного в часі інформативного параметра (температури) об'єкта суттєво проявляється відставання показів приладу від зміни вимірювальної величини, яке негативно впливає на функціонування ЗВ, особливо в системах управління і регулювання, а саме погіршує їх стійкість. Таким чином, при вимірюванні температури має місце динамічна похибка засобу вимірювання (ЗВ), яка є різницею між похибкою ЗВ в динамічному режимі і його статичною похибкою. В ТО температура вимірюється завдяки явищу телообміну між об'єктом і перетворювачем, який продовжується до зрівноваження температур середовища і ТО, тобто термометр не зразу приймає значення температури середовища, в яке він внесений і для такого зрівноваження необхідний деякий час. Причиною такого неусталеного процесу є різниця температур середовища і термометра, а також теплова інерція. В основному ЗВ використовуються для вимірювання змінних в часі величин, що відповідає динамічному режиму роботи; тому важливим є питання точності таких вимірювальних засобів і динамічних властивостей, що її визначають. Поведінка ЗВ в перехідному режимі описується динамічною характеристикою — залежністю показів приладу від вимірювальної величини в часі протягом перехідного процесу. Динамічна характеристика залежить від характеру зміни вимірювальної величини, фізичних елементів ЗВ, а також від умов вимірювань. Фізичні процеси, що визначають динамічні характеристики в більшості випадків надзвичайно складні, тому аналітичний опис їх недоцільний і на практиці вони знімаються експерементально. Для цього визначається зміна в часі показів ЗВ при відомій зміні вимірювальної величини (стрибкоподібна зміна), графік такої залежності є перехідною характеристикою, для її побудови необхідно в усталеному початковому режимі здійснити стрибок вимірювальної величини (одиничний) і з цього моменту через визначені інтервали часу фіксувати значення показів приладу. В результаті для ТО отримається якісно подібний графік перехідої характеристики, представленої на рисунку 6.1 [7]. Процеси, що проходять при зміні температури об'єкта можна умовно розбити на кілька стадій:

  •  нерегулярний режим — вирівнювання температури об'єкта дослідження (внутрішні перехідні процеси);
  •  регулярний (перехідний) режим — зміна середньої температури об'єкта по певному закону;
  •  усталений режим —встановлення рівноваги температури об'єкта і середовища.

Всі ці стадії представлені на рисунку 6.1. Для перехідного режиму характерно, що при стрибкоподібній зміні вхідної дії (внесення перетворювача в середовище з певною температурою) температура термоперетворювача змінюється наближено по експоненціальному закону.

Позначення на рисунку 6.1:

Qвимірювана величина (температура), стрибкозмінна в часі τ.

Х — динамічні покази приладу, що поступово наближаються в часі до установленого значення Q;

 - Q — динамічна похибка в даний момент часу (при відсутній статичній похибці);

н.р. — тривалість нерегулярного режиму — від моменту зміни вимірюваної величини до моменту початку зміни показів ТО;

Т — час перехідного процесу, тобто час, на протязі якого покази ТО входять в 5%-ну зону усталеного значення (Х=0.95Q);

Тn — повний час встановлення показів (температура термометра рівна температурі об'єкта);

n — постійна часу, для експоненти це період, за який покази приладу досягають рівня 0.632Q (різниці значення між усталеними величинами).

Рисунок 6.1  Графік перехідного процесу термоперетворювача

Час, необхідний для того, щоб динамічна похибка була =0 теоретично нескінчений, Тn  , тому для практики прийнято, що перехідний процес завершується протягом Т. Для експоненціального перехідного процесу фізично його постійна часу n — це є час, протягом якого температура термометра досягла б усталеного значення, якщо б вона змінювалася не за експоненціальним, а за лінійним законом, для неекспоненціального закону n — це проекція на часову вісь відрізка дотичної до графіка перехідного процесу, проведеної в точці її перегину і обмеженої точками перетину дотичної і усталених рівнів вимірюваної величини. Експерементальне дослідження динаміки термоперетворювача є наближеним методом його опису, при певних наближеннях динамічний режим може бути описаний лінійним неоднорідним диференціальним рівнянням (ідеальна інерційна ланка першого порядку):

(6.2)

де   — постійна часу термоперетворювача; — коефіцієнт тепловіддачі; m — маса; А — площа поверхні контакту; С питома теплоємність [8].

При стрибкоподібній зміні вимірювальної температури Q температура термоперетворювача Х(t) і динамічна похибка Δ будуть змінюватися за  експоненціальним законом:

,

           (6.3)

де   — температура термометра опору;

                 — температура середовища.

Тобто єдиний параметр, що визначає характер кривої — це постійна часу Тт. Відомості про цей параметр дозволяють покращити процес вимірювання досліджуваним засобом з метою зменшення динамічної похибки. Процедура визначення постійної часу приведена в методичці виконання роботи. В процесі визначення Тт необхідно реалізувати стрибкоподібну зміну вимірюваного параметра, що забезпечується внесенням ТО в середовище з іншою температурою, також необхідно забезпечити мінімальний вплив перетворювача на режим (температуру) середовища (=const). Тт визначається з допомогою графічної побудови динамічної характеристики в зоні регулярного режиму, причому вона лінеаризується шляхом використання логарифмічного масштабу координати динамічної похибки. Для термометрів опору постійна часу може змінюватися в діапазоні від кількох секунд до кількох хвилин. Вважається, що при Тт9с — інерційність ТО мала; 9≤Тт≤80с — середня і при Тт≥80с — велика. Інерційність суттєво залежить від теплоємності — а це значить захисної арматури. 

Рисунок 6.2Лабораторна установка для повірки калібрування термометрів опору

При виконанні програми роботи використовується лабораторна установка (рисунок 6.2), яка складається з повітряного термометра 1 з керуючим пристроєм 5, термометрів опору (ТОП і ТОМ) 3, термістора 2, приладів для вимірювання активного опору 4, 6, еталонного ртутного термометра розширення. В якості термостата використовується лабораторна піч включення якої здійснюється блоком управління (БУ), який автоматично виключає електроживлення нагрівача при досягненні заданої температури. Управління виключенням здійснюється від платинового ТО. Активний опір термоперетворювачів вимірюється мостовим універсальним вимірювальним пристроєм (УВП) типу Р 4833, точність вимірювання якого до 0,01 Ом. В нагрівній камері також знаходиться напівпровідниковий термометр (НПТ), опір якого вимірюється цифровим мультиметром Щ 4313 з точністю до 1 Ома. Завдяки одночасному вимірюванню опору ТОП і термістора можна отримати калібрувальну таблицю останнього, причому ТОП використовується в якості еталонного засобу.

6.4 Порядок виконання роботи. Повірка термометрів опору

6.4.1 При виконанні лабораторної роботи індивідуальне завдання студентом формується і конкретизується викладачем на основі викладених в лабораторному практикумі пунктів в методичці виконання роботи.Здійснити зовнішній огляд термометра опору (ТОП або ТОМ) на відповідність наступним вимогам: непошкоджуваність ізоляції і затискачів в головці термометра; витки в чутливому елементі не повинні бути опущені, або закорочені.

6.4.2 Перевірити опір ізоляції ТО при температурі верхньої межі вимірювання протягом 1 хв. при цьому два затискачі ТО закорочують, друга точка при вимірюванні опору – металева гільза.

З допомогою універсального вимірювального приладу (УВП) типу

Р 4833.

6.4.3 Визначити електричний опір термометра опору (ТОП або ТОМ) при температурах 0 і 100°С з метою виявлення відповідності цих опорів значенням, що приведені в калібрувальних таблицях. Перевірку виконувати згідно методики, приведеної в [8]. Температура використовуваного середовища при цьому вимірюється еталонним ртутним термометром розширення. З метою забезпечення установленого режиму при вимірюваннях (врахування теплової інерції), вимірювання слід виконувати через 10-15 хвилин після внесення термоопору у вимірювальне середовище, це дозволить зрівнятись температурам ТО і середовища. Вимірювання еталонним термометром виконати перед початком кожного вимірювання і після нього. Для кожного значення температури виконати не менше трьох вимірювань.

При неможливості строгого забезпечення умов повірки ТО виконати її відповідно до завдання запропонованого викладачем. Результати повірки оформити у вигляді протоколу (таблиця 6.1). Зробити висновок про результати повірки, врахувавши, що відхилення опору чутливого елемента термометра опору від його номінального значення не повинно перевищувати 0,5% для ТОП  І класу і 0,1% для ТОП і ТОМ  ІІ і ІІІ класів.


Протокол

повірки технічних термометрів опору.Термометр опору_______________  тип___________

Еталонні прилади: ртутний термометр №____________;

Універсальний вимірювальний прилад №____________ тип___________

Таблиця 6.1 – Результати повірки термометрів опору

Виміряне УВП

типу Р4833 значення термоо-пору,

Rb, Ом

Покази

Еталонно-го ртутного термо-метра,

te°C

Значення

термоопору на основі еталонних показів,

Re,Ом

Похибки вимірювання

Абсолют-на,,°С

Віднос-на, ,%

Приве-дена, , %

1

2

3

4

5

6

Електричний опір R100=___________Ом,

відношення

                            ––––––––––––––’

температурний коефіцієнт  =____________1/град.

6.5 Обробка результатів

При дослідженні динамічних характеристик термоопору використовуємо формулу (6.3). Абсолютна похибка при повірці термоопору визначається з виразу

=tв - tз

     (6.4)

де   tв – середнєарифметичне значення температури, виміряної термоопором;

    tз – дійсне значення температури, виміряної ртутним термометром.

Відносна і приведена похибки визначаються відповідно

                                           

    (6.5)

                                          

     (6.6)

де N – нормоване значення, яке чисельно дорівнює діапазону вимірювання термоопору.

6.6 Контрольні запитання

6.6.1 Принцип вимірювання температури термометрами опору.

6.6.2 Будова мідного та платинового термометра опору.

6.6.3 Вимоги, які ставляться до матеріалів, з яких виготовлюються термометри опору.

6.6.4 Порядок повірки термометрів опору.

6.6.5 Принцип дії електронного автоматичного моста.

6.6.6 Фізична суть явища теплової інерції.

6.6.7 Як визначається динамічна похибка термометрів опору ?

6.6.8 Від яких факторів залежить теплова інерція фізичного тіла ?

6.6.9 Переваги і недоліки вимірювання температури напівпровідниковими термометрами опору.

6.6.10 Порядок калібрування напівпровідникових термометрів опору.

PAGE  55

EMBED CorelDRAW.Graphic.6  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5132. Генетика микроорганизмов. Генотипическая изменчивость 474.5 KB
  Генетика микроорганизмов До 40-х гг. 20 в. считалось, что, поскольку у микроорганизмов нет ядерного аппарата и мейоза, на них не распространяются законы Менделя и хромосомная теория наследственности. С начала 40-х гг. микроорганизмы становятся объек...
5133. Латинский язык и основы терминологии 450 KB
  Тема: Латинский алфавит. Правила чтения. Ударение. Задание 1. Прочтите следующие термины, обратите внимание на произношение букв и буквосочтаний: а) apex верхушка crista гребень tuber бугор sulcus борозда canalis канал tuberculum бугорок fissu...
5134. Общая патология клетки. Повреждение клетки 120 KB
  Общая патология клетки. Повреждение клетки: Нарушение функционирования клетки, которое сохраняется после удаления повреждающего агента Генетически детерминированные или приобретенные изменения метаболизма, физико-химических параметров, к...
5135. Кадровая политика на предприятии 71.5 KB
  Создание конкурентоспособного предприятия всегда связано с людьми, которые работают на предприятии. Организация возможностей фирмы заключена в новых методах управления и зависит от конкретных людей, знаний, компетенции, квалификации, дисциплины, мот...
5136. Формы расчетов, применяемые при осуществлении внешнеэкономической деятельности 24.59 KB
  Формы расчетов, применяемые при осуществлении внешнеэкономической деятельности Внешнеэкономическая деятельность неразрывно связана с необходимостью определения форм расчетов. Под формами расчетов понимаются сложившиеся в международном коммерческом о...
5137. Принципы формирования кадровой политики. Кадровая политика и стратегия управления персоналом 59.5 KB
  Принципы формирования кадровой политики. Кадровая политика и стратегия управления персоналом Кадровая политика – главное направление в работе с кадрами, набор основополагающих принципов, которые реализуются кадровой службой предприятия. В этом ...
5138. Структура механизмов. Классификация кинематических пар 330.69 KB
  Структура механизмов. Классификация кинематических пар Кинематические пары (КП) классифицируются по следующим признакам: 1) по виду места контакта (места связи) поверхностей звеньев: - низшие, в которых контакт звеньев осуществляется по плоскости ил...
5139. Методология системного анализа 100.5 KB
  Принцип системности. Система. Основные понятия и определения Основным исходным положением системного анализа – как научной дисциплины является принцип системности, который можно воспринимать в качестве философского принципа, выполняющего ...
5140. Древнегреческая натурфилософия 97 KB
  Древнегреческая натурфилософия. Вопрос 1 Философия милетелей, Пифагора и Гераклита. Мудрость в том, чтобы знать все как одно (Гераклит). Периоды и проблемы Античной философии. Условно выделяют пять периодов античной философии. Во-первых, натурфилософ...