51038

Автоматизація та компютерно-інтегровані технології. Методичні вказівки

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну відносну та приведену похибки по діапазону вимірювання для обох приладів та побудувати графіки для обох приладів: а реальної статичної характеристики перетворення; б залежності приладів похибок по діапазону вимірювання.

Украинкский

2014-02-04

44.28 MB

26 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

МЕТРОЛОГІЯ, ТЕХНОЛОГІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ ТА ПРИЛАДИ

                             МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт

для студентів напряму  6.050202

«Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології»

всіх форм навчання

                                                  СХВАЛЕНО

                                                                            на засіданні кафедри    

                                                                                            автоматизації та       

                                                                                            комп’ютерно-

                                                                             інтегрованих    

                                                                             технологій

                                                                             Протокол  № 10                  

                                                          від 23.03.2010 р.

Київ НУХТ 2010

 Метрологія, технологічні  вимірювання та прилади: Метод.    

вказівки  до виконання лабораторних  робіт  для  студентів напряму 6.050202  «Автоматизація та  комп’ютерно-інтегровані технології» всіх форм навчання.   /Уклад.: О.Й. Рішан, А.П. Ладанюк, І.В. Ельперін – К.: НУХТ, 2010. – 205с.

             Рецензент: Б.М. Гончаренко, д-р техн. наук, проф.

                       

             Укладачі: О.Й. Рішан, канд. техн. наук     

                               А.П. Ладанюк, д-р техн. наук

                               І.В. Ельперін, канд. техн. наук     

           Відповідальний за випуск  А.П. Ладанюк, д-р техн. наук, проф.


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА  № 1-Т-Р

ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ.  ПЕРЕТВОРЮВАЧІ НАДЛИШКОВОГО ТИСКУ SITRANS  Р серії Z та ZD

1.Мета роботи

1.1.Вивчити принцип дії, конструкцію та методику поревірення компактних вимірювальних перетворювачів надлишкового тиску Sitrans P серії ZDцифровою індикацією за місцем) та перетворювача серії Z з уніфікованими вихідними сигнали по струму, а також  познайомитись з цифровим реєстратором Sirec DS фірми «Siemens».

1.2.Провести перевірення приладів.

                                  2. Завдання на виконання роботи

2. 1. Познайомитись з лабораторним стендом.

2.2. Вивчити загальні теоретичні відомості про тиск, одиниці тиску,

поняття абсолютного, надлишкового та барометричного тисків. Вивчити класифікацію манометрів по виду вимірюваного тиску.

2.3. Вивчити загальну теорію тензорезисторних перетворювачів тиску. Вивчити  будову та структурну схему  вимірювального перетворювача надлишкового тиску   Sitrans P ZD  з цифровою індикацією та  уніфікованим  вихідним  сигналом  по струму, суть схеми живлення в два проводи при передачі вимірювальної інформації.

    2.4. Вивчити конструкцію, технічні характеристики та використовування перетворювача тиску Sitrans P серії Z та реєстратора Sirec DS.

    2.5 Зняти реальні статичну характеристику перетворення манометру Sitrans P серії ZD та статичні характеристики перетворення тиску в ІВК з приладами Sitrans P серії Z та ZD у вихідні уніфіковані сигнали по струму та їхнє відображення на екрані реєстратора Sirec DS.

    2.6. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну, відносну та приведену похибки по діапазону вимірювання для обох приладів та побудувати графіки для обох приладів: а) реальної  статичної характеристики перетворення;  б) залежності приладів похибок по діапазону вимірювання.

3. Теоретичні відомості

      3.1. Тиск. Основні поняття. Одиниці вимірювання тиску  

Тиск рідин газів пари є важливим параметром що характеризує хід багатьох технологічних процесів в харчовій промисловості.

    Тиском називається фізична величина, яка характеризується інтенсивністю нормальних, тобто, перпендикулярних до поверхні, розподілених сил, з якими одне тіло діє на поверхню  іншого. Іншими словами тиск характеризується силою, що рівнорозподілена по нормалі до поверхні іншого тіла, на яке вона діє.

    Розрізняють поняття: абсолютного , атмосферного та надлишкового тисків.

    Абсолютний тиск Рабс – це тиск, який відраховується від стану повної

відсутності тиску. За початок абсолютного тиску приймають абсолютний нуль

тиску, що відповідає тиску в середині ємності після повної відкачки із неї повітря. Нуль такого тиску – це «тиск пустоти». Прикладом абсолютного тиску – є атмосферний тиск Ратм, який ще називають барометричним. Він визначається вагою стовпа атмосфери (слоїв атмосфери), що знаходиться на точкою вимірювання атмосферного тиску.

    В більшості випадків тиск, який необхідно вимірювати, утворюється у відкритих чи закритих посудинах, тобто, в просторі оточеному атмосферою і який знаходиться під дією атмосферного тиску. В цих випадках практичне значення має перевищення тиску в посудині над атмосферним. Таке перевищення називають надлишковим тиском Рнад.

    За початок відліку надлишкового тиску Рнад приймають значення атмосферного тиску. Таким чином, надлишковий тиск дорівнює відповідному

йому абсолютному тиску за відрахуванням значення атмосферного Ратм:

Рнад = Рабс - Ратм.                  (1.1)

    Від’ємне значення надлишкового тиску за формулою (1.1) називають розрідженням або вакуумметричним тиском Рвак (від латинського «vacuum» -пустота). Це тиск , що менший атмосферного і дорівнює:

                         Рвак = Ратм - Рабс .                   (1.2)

    Залежність (1.2) показує, що Рвак не може перевищувати атмосферний тиск Ратм,  який має місце в даний момент і в даному місці, і що від’ємне значення абсолютного тиску бути не може.

    Одиницею вимірювання тиску в системі СІ є паскаль (Па). 1Па – це тиск, що  утворюється на поверхні площею в 1м2 прикладеною до неї силою 1 ньютон (Н), яка рівномірно розподілена по нормальній до цієї поверхні. Пристави кратності:

                         1кПа = 103Па, а 1МПа = 106Па.

В манометрії допускається використання і позасистемних одиниць тиску.

Найбільш розповсюджена - технічна атмосфера (ат  або  кгс/м2), що являє собою тиск, який утворюється силою в 1кг, рівномірно розподіленою по нормалі до поверхні, площею в  1см2.

          1ат = 1кгс/см2 = 98066,5 Па  100 кПа = 0,1 МПа.

Наступна одиниця тиску – бар: 1бар (1 гектоп’єза) = 105Па = 0,1 МПа і є по величині трохи більшим за технічну атмосферу.

Ще використовується одиниця тиску - фізична атмосфера (атм), яка

дорівнює тиску стовпа ртуті висотою 760 мм при температурі 0С на 1 см2

і прискоренні вільного падіння  g = 9,81 м/с2.      1 атм = 1,0332 кгс/см2  101,325 КПа  – відповідає нормальному атмосферному тиску і використовується як одиниця при перерахунках об’ємів газу та повітря, при їхньому переході із одного стану в інший (при зріджені газів).

Так як тиск в одну атмосферу або бар є досить великою  величиною, то на

практиці для вимірювання малих тисків використовують наступні одиниці тиску: мм ртутного та мм водяного стовпа:

           1ат = 735,56 мм.рт.ст  при температурі 0С;

           1ат = 10 м водяного стовпа при 4С;

           1мм рт. ст.  (1 торр) = 133,322 Па;

           1мм. вод. ст. при 4С = 9,8 Па.

3.2. Класифікація манометрів по виду вимірюваного тиску

    Для вимірювання тиску використовуються ЗВ (прилади) - манометри, назва

яких походить від грецького слова «manos» – негустий, розріджений.

    Манометри прийнято класифікувати: по виду вимірюваного тиску; по  принципу дії; по класу точності та по призначенню.

По виду вимірюваного тиску манометри діляться на дві групи, які

відрізняються різними початками відліку тиску, тобто, різними, прийнятими за нуль, значеннями тиску: в першу групу входять манометри надлишкового тиску, а у другу - абсолютного  тиску.

 В манометрах надлишкового тиску (як додатного так і від’ємного), за нуль приймається значення атмосферного тиску. До них відносяться:

манометри – прилади, які призначені для вимірювання надлишкового тиску

від 0,6 до 105  кгс/см2  (0,06... 104МПа);

вакуумметри - прилади для вимірювання розрідження (вакууметричних тисків) до  -1,0 кгс/см2  (-0,1МПа);

мановакуумметри – прилади які призначені для вимірювання надлишкового тиску від 0,6 до 24 кгс/см2  так і вакууметричного тиску до -1,0 кгс/ см2;

  напороміри – манометри для вимірювання малих надлишкових тисків (до +0,4 ат або до 40 кПа) від атмосферного;

 тягоміри – вакуумметри верхнею межею вимірювання тиску яка не

перевищує  -0,04МПа  = -0,4 кгс/см2;

тягонапороміри – мановакууметри з крайніми межами вимірювання відхи-

лення тиску від атмосферного в сторону розрідження та надлишкового тиску    ±0,2 кгс/см2 =  ± 0,02МПа  =  20 КПа.

Другу групу складають манометри абсолютного тиску, які пристосовані для вимірювання тиску, що відраховується від абсолютного нуля тиску, тобто, повної його відсутності. До них відносяться:

 барометри – манометри абсолютного тиску, які пристосовані для вимірювання тиску атмосфери;

 укорочені рідинні манометри; укорочені барометри – це ртутні вакуумметри для вимірювання абсолютних тисків (менше 0,2 кгс/см2);

вакуумметри залишкового тиску які призначені для вимірювання глибокого

вакууму тобто абсолютних тисків менш 0,002 кгс/см2.

Дещо осторонь стоїть третя група манометрів, яка включає в себе дифманометри та мікроманометри.

Диференціальні манометри (дифманометри)  - це манометри, які вимірюють різницю двох тисків, ні один із яких не є атмосферним, і

використовуються в різних областях промисловості.

Приклади використовування дифманометрів: вимірювання перепадів тиску; вимірювання витрати рідин, газів та пари по перепаду тиску на спеціальних звужуючих пристроях; вимірювання рівня рідин, що знаходяться під дією атмосферного, надлишкового та вакуумметричного

тисків тощо. 

Мікроманометри – це дифманометри лабораторного типу, які викорис-товуються для вимірювання тиску чи різниці тисків в газових середовищах з верхньою межею вимірювання не більше за 0,04 кгс/см2.

Прилади для вимірювання тиску можуть бути показуючими, самописними, а також з електроконтактним регулюючим чи сигналізуючим улаштуванням.

    

3.3. Принцип дії вимірювального перетворювача надлишкового

                                    тиску SITRANS Р.

     3.3.1. Загальна теорія та конструкція тензометричних перетворювачів.

Принцип дії тензометричних перетворювачів грунтується на, так званому, тензоефекті  -  зміні активного опору провідника або напівпровідника за пружних деформацій (стиснення або розтягування). Самий поширений варіант використання тензоефекту - це розтягування дроту або стрічки з тензочутливого матеріалу. Такі провідникові  перетворювачі, а вони розподіляються на дротяні та фольгові, використовують для вимірювання невеликих переміщень, деформацій, або інших механічних величин, що пов’язані з деформаціями, і перетворення останніх у зміну електричного опору. Для забезпечення передачі деформації на тензоперетворювач, його прикріплюють (приклеюють) до тих деталей, які деформуються.

Основною характеристикою тензоматеріалу є коефіцієнт тензочутливості  Ѕ, який дорівнює:  Ѕ = (ΔR/R) / (ΔL/L),  де (ΔR/R) – відносна зміна  опору тензорезистора,  а (ΔL/L) – відносна його деформація (зміна розміру).

   Провідникові тензорезистори. В якості   тензочутливого матеріалу в них най

частіше використовується константан (сплав 45% нікелю та 55% міді ), а також сплави нікелю й хрому. Такі тензоперетворювачі використовуються при тем-пературах середовища до 180°С.

        а)                   б)                     в)                г)                            д)

Рис 1. Тензорезистори: а) фольговий; б) – дротяний; в) – напівпровідниковий;

      г) кільцевий фольговий мембранний та д)  - остнній в корпусі ПВП.

Досить розповсюджені провідникові дротяні тензорезистори (рис. 1,б), які

виготовляються із укладеного у вигляді грати та приклеєного до основи 3 (з паперу або пластмаси) дроту 2 із константану діаметром 0,01 ...0,05 мм. У кінцях дроту розташовуються вивідні площинки 1, до яких припаюються вивідні дроти діаметром 0,5 мм. Замість дроту у фольгових тензоперетворювачів (рис.1а,г) використовується нанесена на тонку плівку 3 фольга з константану завтовшки 0,004 ...0,012 мм, із якої методом витравлювання (аналогічно виготовляють друковані плати електонних пристроїв) одержують  теж перетворювач 2  у вигляді грати. Зверху такий перетворювач покривається захисною водостійкою плівкою (лаком). Тензоперетворювач наклеюють на пружний елемент, що перебуває під дією вимірюваного зусилля, пропорційного тиску. Останнє приводить до деформації пружного елемента і одночасно до зміни розмірів тензорезистора (змінюється довжина дроту L і його поперечний переріз S) і, як наслідок, змінюється електричний опір R перетворювача за формулою:

                   R = n ּρ (L/S) ,              де ρ - питомий опір матеріалу; Lбаза перетворювача (довжина прямо-лінійних ділянок дротинки від 3 до 30 мм);  Sплоща перерізу дротинки;  n  –  кількість лінійних ділянок розташованих  у гратці.  Початковий опір R  їх становить 50400 Ом.

Основна приведена похибка провідникових тензорезисторів складає 0,2… 2%

від діапазону вимірювання. Основний недолік – обмежений ресурс роботи із-за старіння клеїв та повзучість (зміна опору за незмінного значення деформації), що пов’язана з пружною недосконалістю основи та клею.

Напівпровідникові (пезорезистивні) тензорезистори застосовуються, поряд з металевими тензоперетворювачами дедалі ширше. Вони відзначаються значно вищою чутливістю, меншими габаритами та масою, кращими метрологічними характеристиками.

В залежності від способу виготовлення їх поділяють на вирізані та дифузійні.

Вирізані тензорезистори являють собою вирізану із монокристалу кремнію 4 (рис.1, в) пластину, довжиною 5…10 мм та шириною до 1мм і яка має початковий опір 50…800 Ом. Пластину вирізають паралельно діагоналі кристалічного куба для кремнію «р-типу», або паралельна ребру куба для кремнію «n-типу». Таку пластинку 4 теж приклеюють до підложки 3, її кінці з’єднують дротами 2 та 5 з  вивідними площинками 1 та 6.

Дифузійні пєзорезистивні тензорезистори отримують методом дифузії домішок (елементів 3-ої та 5-ої груп таблиці Менделєєва) у кремнієву підложку. Якщо в кремній додаються елементи 3-ої групи (Ga, In), то отримують тензорезистор провідності «р-типу», в іншому випадку додають P, Sb та отримують провідність «n-типу».

Такі тензорезистори теж виготовляються у вигляді одиночних вирізаних, що  приклеюються  (ПВП по аналогії з провідниковими), але найчастіше у вигляді інтегральних тензомодулів, в яких пружний елемент (сама мембрана), виготовлений із монокристалічного напівпровідника (кремнію), на якому методом дифузії відразу формують інтегральний (за мостовою схемою) тензомодуль. Основна перевага такого  тензомодулю – відсутність між пружним елементом (мембраною) та п’єзорезиторами проміжних ланок  (клею), що  покращує його метрологічні характеристики. На такому принципі працюють засоби вимірювання тиску типу «Сапфір»  і їхні модифікації, а також прилади фірми

«Siemens» типу  Sitrans P серій DZ та Z, дифманометри типу DS.

Як правило опір тензоперетворювачів вимірюється за допомогою мостових зрівноважених (рис.2,в) та незрівноважених (рис.2,б) схем. Схема зрівнова-женого мосту ( рис.2,в) використовується у простих випадках. В ній зміна температури навколишнього середовища вливає на основні параметри тензористора R1. Так як відносна зміна опору тензорезистора від вимірюваної деформації складає не більше 1% від початкового опору, то температурні зміни можуть привести до суттєвої додаткової похибки, яку зменшують термоком-пенсацією або спеціальним ввімкненням тензорезисторів у мостову схему.

Температурної похибки немає у разі ввімкнення тензорезисторів у схему незрівноваженого мосту, приведеній на рис. 2,а та б (резистори R3, R4 - сталі). Деформацію пружного елемента (консолі) сприймають два тензорезистори, причому опір верхнього R1 збільшується із зростанням зусилля чи тиску (він розтягується), а нижнього - R2 зменшується (останній стискується), і їх вмикають у суміжні плечі моста.

в)

         Рис. 2. Варіант використовування тензорезисторів на консолі.

   

Напруга UCD у вимірювальній діагоналі незрівноважених мостових схем (рис.2.б та 3,в) дорівнює:

                   UCD = UЖ [(R1*R3-R2*R4)/(R1+R2)(R3+R4)]   (1)

де  UЖ – напруга (змінного або постійного струму) живлення мостової схеми.

    При цьому температурна похибка зникає. Оскільки опори R1 та R2 (рис.2,б) за коливань температури змінюються одинаково (як за значенням, так  і за знаком), то різниця добутоків у (1) за зміни температури обох тензорезисторів залишається незмінною. Міст зрівноважується (напруга у вимірювальній діагоналі UCD встановлюється рівною нулю за допомогою змінного опору R3) один раз при його налаштуванні на нижній діапазон вимірювання зусилля. Напруга нерівноваги підсилюється або  перетворюється в відповідний цифровий код, який опрацьовується і використовується далі в системі.

Структурна схема первинного вимірювального перетворювача (ПВП) "Сапфір" для вимірювання надлишкового тиску показана на рис. 3.  ПВП складається із тензомодуля і вмонтованого електронного підсилювача  ЕП (рис. 3,а). Тензомодуль – це корпус 1, в якому розміщується двошарова мембрана – нижня 2 металева, та верхня 3 із сапфіру, що закріплюється на металевій мембрані 2. Сапфір – це мінерал (різновид корунду, підклас простих окислів алюмінію), який виготовляють синтетично і який являє собою кристал синього чи голубого кольору з домішками заліза та титану. На сапфіровій мембрані розміщується чотири однотипних п’єзорезистивні тензорезостори, які вмикаються за мостовою схемою [тензорезистори наносяться у вигляді монокристалічної плівки кремнію (тензомодулю) на сапфірову мембрану (рис.3,в)].  Окремі резистори з’єднані так , що за прогину мембрани опори резисторів R1 та R3 зростають (+), а R2 та R4 зменшуються (-) (рис.3,б). Як наслідок досягається, одночасно з термоко-мпенсацією, і висока чутливість вимірювального мосту, а напруга у вимірювальній діагоналі UCD змінюється по залежності (1). При виготовленні перетворювача міст урівноважується при нульовому значенні вимірюваного тиску.

       ЕП      БЖ   ВП

1       3

     

  P а)      R1       R2      UCD

2

         R1              UЖ

        +

      R4       R4       R3

   -   R2             -

       R3                                                      в)

        +         б)

                 Рис. 3. Варіант виконання тензомодулю типу "Сапфір .

Максимальне значення напруги UCD = 0,1 В, тому напругу підсилюють в ЕП, який розміщують в цьому ж корпусі. Сигнал вимірювальної інформації подається до блоку живлення  БЖ,  де перетворюється в уніфікований сигнал по струму, який подається на вторинний прилад.

Вимірювальні перетворювачі «Сапфір» забезпечують вимірювання тисків до 100 МПа, розрідження – до 10-5 МПа, різниці тисків від 2,5 Па до 16МПа. За класом точності бувають: 0,1; 0,25; 0,5. Переваги: надійність, так як використовуються незначні деформації чутливих елементів; стабільність;        високий клас точності – 0,1; дистанційна передача інформації.

Відмінною особливістю манометрів фірми «Siemens» - є висока ступінь інтеграції електронних схем обробки сигналів ПВП; наявність вбудованого    мікпропроцесорного пристрою цифрової обробки, пам’ять EEPROM, яка зберігає у цифровому коді константи заводського налаштування ППВ при його метрологічній атестації, та схема живлення і передачі інформації в два проводи.

3.3.2. Загальна структурна схема та конструкція перетворювача

Sitrans P серії ZD фірми Siemens.

Перетворювач  Sitrans P ZD  – це вимірювальний прилад зі здатністю до конфігурування, який встановлюється за місцем і використовується  для

вимірювання надлишкового та абсолютного тисків в різних областях промисловості (хімічній, харчовій, водо забезпеченні і ін.).    

Структурна схема та зовнішній вигляд приладу та основні складові перетворювача Sitrans P серії ZD приведені на рис.4.        

    Sitrans P ZD надлишкового тиску складається із:  вимірювальної комірки; плати електроніки, яка розміщена поряд в тому ж в корпусі, та вбудованого цифрового індикатора. У деяких приладів Sitrans P, вимірювальна комірка і плата виготовляються, як єдине ціле.

Вимірювальна комірка складається із розподільчої мембрани 1, що виготовлена  із нержавіючої сталі, рідини заповнення (силіконове мастило), що передає зусилля, та безпосередньо вимірювальної мембрани, в якості   якої використовується тонка керамічна плівка з нанесеними на неї  тензорезисторами (тензомодуль - P). Розподільча мембрана 1 із нержавіючої сталі захищає перетворювач від дій агресивних середовищ. Вимірювальна комірка забезпечена також схемою температурної компенсації.  Під дією цієї сили, що діє на розподільчу мембрану 1, вона прогинається і передає зусилля через силіконове масло на вимірювальну мембрану Р, що теж прогинається. При цьому чотири встановлені на ній за мостовою схемою тензорезистори змінюють свою величину. Зміна опорів приводить до розбалансування мосту і появи напруги у вимірювальній діагоналі, яка підсилюється у вимірювальному підсилювачі та надходить на аналого-цифровий перетворювач (АЦП) А/D та перетворюється в цифрову форму.

                                                     СВДЗ  СВДЧ         РКД

                                 

  Рис. 4. Структурна схема та зовнішній вигляд приладу Sitrans P серії  ZD.

На платі електроніки Sitrans P серії  ZD (рис.4)  розміщені:

 A/D -  аналого-цифровий перетворювач (АЦП);

 D/A -  цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП);

 3 клавіші конфігурування параметрів;

 EEPROM – енергонезалежна пам’ять для всіх параметрів;

■  U/ I – перетворювач напруги ЦАП  Uа в струм (стабілізатор струму);

 ЕМV - вихідний каскад із захисними компонентами, що  поєднує струм  

              споживання та уніфікований вихідний;

 I а -     - вихідний уніфікований сигнал по струму (4…20мА), який   

              дорівнює струму, що споживає перетворювач;

 Uк  -  контрольна (зразкова) напруга стабілізатора струму;

 РКД - рідинно-кришталевий дисплей  вимірюваних параметрів;

 СВД З та СВД Ч – зелений та червоний світло діоди  індикації виходу тиску за нижню та верхню межі діапазону;

 C - функціональний мікропроцесорний контролер.

    Інформація в цифровій формі аналізується в мікропроцесорі C, коригується в відповідності із температурною характеристикою і характеристикою лінійності, та перетворюється у цифро-аналоговому перетворювачі (ЦАП)  D/А у напругу постійного струму.

Далі напруга перетворюється в уніфікований вихідний аналоговий сигнал по струму в перетворювачі U/I, який надходить у  вихідний каскад ЕМV. Останній поєднує уніфікований інформаційний струм та струм споживання.  

Основною перевагою перетворювача  Sitrans P є схема живлення в два проводи, суть якої в тому, що струм ланцюга живлення перетворювача одночасно є уніфікованим  вихідного аналоговим  сигналом  вимірювальної інформації по струму в межах 4…20 мА  і  який відповідає значенню вимірюваного тиску. Тобто, при налаштованому початковому значенні вимірюваного тиску, схема перетворювача споживає струм  4 мА напругою постійного струмі в межах 12…30В.  В кінці діапазону – перетворювач споживає струм 20 мА при тих же межах напруги живлення. Для передавання інформації про значення вимірюваного тиску немає необхідності в додаткових лініях зв’язку. Вихідний каскад ЕМV  вміщує в собі  одночасно і компоненти захисту від короткого замикання.

Для отримання інформації  про значення тиску достатньо в ланцюг підведення живлення по двом проводам, ввімкнути опір навантаження величиною 500 Ом та отримати на ньому, на необхідній відстані місця вимірювання, спад напруги, який маже бути використаний, наприклад, для перетворення в аналого-цифровому перетворювачі (АЦП) мікропроцесорного контролера системи керування технологічним процесом.

Одночасно Sitrans P забезпечує цифрову індикацію значення тису за місцем

встановлення в багатьох одиницях. Режим вибору одиниць задає мікропроцесор і його можна змінити за допомогою клавіш конфігурування.

Специфічні параметри вимірювальної комірки, параметри електроніки

та налаштування фіксуються в енергонезалежній пам’яті EEPROM.

Дві відокремлювані частини перетворювача (сенсор та електроніка) , підт-

римують модульний принцип побудови конструкції, можливість незалежної їх

заміни і корекції.

Вбудований  5-ти розрядний дисплей (РКД), в залежності від вибраногорежиму індикації, може надавати за місцем наступну інформацію:

вимірюване значення тиску;  одиниця вимірювання (по замовчанню в барах);

 двопозиційний сигнал «більше / менше», при відхиленні тиску за встановлені    граничні межі, що фіксується світлодіодами  та символами стрілочки ( менше – зеленим та, а більше – червоним та).

Конфігурування (зміна режимів роботи та індикації) відбувається за допомогою 3-х кнопок, що розташовані поруч із дисплеєм.

Кнопкою  М вибираються наступні режими:

вимірюване значення тиску;    пароль, який блокує зміну параметрів після

налаштування;   одиниця вимірювання;  початок та кінець діапазону;

 верхнє та нижнє допустиме значення тиску;   корекція нуля; верхня (20 мА) та нижня (4 мА) межі вихідного струмового сигналу, що відповідають вибраному діапазону вимірювань;  фільтрація сигналу.

Ще дві кнопки дозволяють змінювати вибраний параметр в більшу або меншу сторону.

3.3.3. Загальна структурна схема та конструкція перетворювача

Sitrans P серії Z фірми Siemens

Перетворювачі Sitrans P серії Z набули найбільше поширення для вимірювання гідростатичного тиску в  рівнемірах,а також призначений для вимірювання надлишкового тиску нейтральних середовищ (газу, пари, рідини).  Вони використовуються у хімічній, фармацевтичній та харчовій промисловостях, у водопостачанні, при вимірюванні тиску стиснутого повітря в компресорах, яке вміщує пари мастила, і здійснюють аналогове пропорційне перетворення вимірюваного тиску в уніфікований вихідний сигнал постійного струму, який використовується в якості вхідного у вторинних приладах.

Конструкція і робота Sitrans P  серії Z.

Конструктивно Sitrans P  серії Z виконані в циліндричному корпусі, у верхній частині якого розташований електричний рознім для приєднання зовнішніх електричних кіл.

У нижній частині перетворювачів, розташований різьбовий штуцер  із шестигранним уступом «під ключ» для приєднання перетворювача до магістралі вимірюваного тиску. У центрі штуцера є отвір для підведення вимірюваного середовища до тензодатчику, герметично вбудованого в штуцер. Загальний вигляд та варіант варіант під´єднання Sitrans P серії Z до вимірюваного тиску показано на рис.5.

Перетворювач (рис.5,б) вміщує вбудований інтегральний тензомодуль, який складається із тонкоплівкової п´єзорезисторної мостової вимірювальної комірки з керамічної мембрани та електронної плати, що встановлені у корпус із нержавіючої сталі. Вимірюваний тиск подається на тензомодуль через розпо-дільчу мембрану (96% складається із Al2O3) та силіконове мастило. Вихідна напруга вимірювальної діагоналі мостової схеми надходить на підсилювач та вихідний каскад перетворювача напруги у струм U/I, де перетворюється у вихідний уніфікований сигнал по струму 4-20  мА . Останній поєднується із струмом живлення за схемою в два проводи.

 

   а)                                            б)                                                      в)     

Рис.5. Загальний вигляд а), структурна схема б) та варіант під´єднання

Sitrans P серії Z  до вимірюваного тиску.

Напруга живлення Sitrans P серії Z - від 10 до 36 В постійного струму подається через діоди, які захищають ПВП від не вірного вмикання за полярністю та надто великої напруги живлення. 

Основні технічні та метрологічні характеристики Sitrans P ZD та Z:

1.Діапаз. вимірюван. (бар)    Поріг чутлив. (мбар)     Межа перевантаження (бар)

            0……2                             0,6                                      5

            0……10                            3                                        25

             0……50                           15                                      120

             0……200                         60                                      500

             0……400                         120                                    600

2. Напруга живлення: постійного струму в межах від +12 В до +30 В.

3. Загальна приведена похибка γпр 0,25% від діапазону вимірювання.

4. Дрейфова похибка  -  0,25% за рік від діапазону вимірювання.

5. Вплив зовнішньої температури - 0,25% на кожні 10°С від  γпр.

                                 

                                  3.3.4. Цифровий реєстратор Sirec DS.

     Sirec DS (рис.6,а) відносить до сучасних засобів без паперової реєстрації. Він забезпечує зберігання і відтворення інформації про стан параметрів будь-якого технологічного процесу.  

     Sirec DS програмується і конфігурується за допомогою вбудованої в  корпус клавіатури або зовнішнього комп’ютера. Передача даних конфігурування із комп’ютера та даних реєстрації в комп’ютер здійсню-ється через 1.44-МВ-дискету (3,5´´), при цьому дані зберігаються в резидентній Flash-пам´яті реєстратора. Прилад допускає пряме його ввімкнення в локальну мережу та забезпечує всі стандарті функції комунікації через Ethernet.

     Sirec DS може відтворювати на дисплеї та зберігати інформацію або по

6-ти (4-м або 2-м) аналоговим каналам (рис.6,б), або поєднувати безпосе-

реднє підключення до нього термопар, термометрів опору та аналогових сигналів (рис.6,в). При опрацьовуванні уніфікованих струмових сигналів на входах затискачів у відповідності із таблицею (рис.6,б) повинні бути встановлені високоточні опори 10 Ом (рис.6,г). Крім цього, Sirec DS забезпечує видачу до   32-х сигналів сигналізації про вихід параметрів за допустимі межі.

   а) б)

                  

 в)г)

Рис.6. Загальний вигляд а), таблиця з´єднань при утворенні аналогових каналів реєстрації б), схема зовнішніх з´єднань в) та установка допоміжного опору г) для Sirec DS.

    

    Sirec DS забезпечує відтворення інформації по 6-ти каналам у 8-ми режимах, перший із яких, наприклад, відтворює аналогові сигнали (тренди) на дисплеї з переміщенням електронного пера в часі по вертикалі та показує значення параметра на горизонтальній гістограмі (від 0 до 100%) і в цифровому вигляді. Інші режими є варіаціями розглянутого режиму: гістограми вертикально розташовані, а аналогові сигнали – вертикально і т. п. або відтворюється тільки один вид сигналу (гістограма,цифровий або аналоговий сигнал) чи їх попарна комбінація. Вибранийрежим відтворення конфігурується вбудованими клавішами.

4. Завдання та методика виконання роботи.

    Завданням на роботу є перевірення перетворювачів Sitrans P серій ZD та Z та дослідження їхніх статичних характеристик перетворення (ХП), а також перевірення інформаційно-вимірювальних каналів (ІВК) :

перетворювач Sitrans P Z» - цифровий реєстратора Sirec DS;

перетворювач «Sitrans P ZD» - цифровий реєстратор Sirec DS.   

    Перевірення виконується порівнянням показань перетворювачів Sitrans P з показаннями зразкового манометра (МО). Зразкові манометри при проведенні перевірення мають відповідати наступним вимогам: їхній діапазон вимірювання тиску не повинен бути меншим від діапазону вимірювання тиску манометру, що перевіряється, а їхній клас точності має бути в 3 рази вищим, ніж клас порівнюваного приладу. Зразкові манометри повинні бути в робочому стані і мати паспорт (свідоцтва) державної повірки.

5. Порядок виконання роботи.

    5.1.Ввімкнути тумблер подачі живлення  “Живлення ~220В” на стенд манометрів та ввімкнути  тумблери подачі живлення  на вимірювальний перетворювач «Sitrans P ZD».

5.2. Подати на стенд стиснуте повітря живлення 140 кПА та ввімкнути

пневмоклапани  «Sitrans P ZD» і зразкового манометра (кл. 0,4).

    5.3. Зняти пряму (▼) та зворотну () гілки характеристики перетворення вимірювального перетворювача «Sitrans P ZD».

 5.3.1. За допомогою пневматичного вентиля, що знаходиться під зразковим манометром збільшувати тиск повітря у системі зразкового манометра та перетворювача  «Sitrans P ZD» від нуля до максимального значення (120 кПа). Значення тиску на зразковому манометрі повинні відповідати оцифрованим поділкам з дискретністю 10 кПа (0,1бара).

Одночасно знімати покази з дисплея «Sitrans P ZD». Дані заносити до табл. №1 протоколу перевірення у колонку  прямого () ходу по характеристиці перетворення  «Sitrans P ZD». 

                                                                                           Таблиця 1

Покази манометра за

умови ходу, кгс/см2

Варіа-

  ція,

кгс/см2

       

                   Похибка за умови ходу

Зразко

-вого

МО

Sitrans P ZD

Абсолютна,

кгс/см2

Відносна, %

Приведена,%

  ▼

  ▲

 ▼

  ▼

  ▲

 ▼

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

    

    5.3.2. Після досягнення максимального значення тиску, повторити дії наведені в п.5.3.1 знижуючи тиск в системі до нуля; отримані дані занести в таблицю протоколу у колонку () зворотного ходу по ХП.

    5.4. В ввімкнути додатково живлення перетворювача «Sitrans P , вторинного приладу «ТРМ 200» та цифрового реєстратора Sirec DS.

Ввімкнути пневмоклапан «Sitrans P Z».

                                                                                                      Таблиця 2

Покази манометрів за умови ходу, бар

Коригована  

ХП каналу 

Варіа-ція,  бар

 

     

                   Похибка за умови ходу

Ди-сп-лей   P ZD   

Канал P ZD -Sirec DS

Schreiber 1

 P ZD  -

Sirec DS,       бар

Абсолютна, бар

Відносна, %

Приве-

дена, %

   ▼

 

 

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

    

                                                                                                       Таблиця 3

Покази манометра за умови ходу, бар

Коригована харак-теристика

Варіа-ція, бар

                   Похибка за умови ходу

Ди-сп-лей   P ZD   

Канал P Z - Sirec DS

Schreiber 2

Sitrans

  P Z  -

Sirec DS

Абсолютна, бар

Відносна, %

Приве

дена, %

   ▼

  

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

    5.5. Зняти пряму (▼) та зворотну (▲) гілки  характеристики перетворення інформаційно-вимірювальних каналів (ІВК):   перетворювач «Sitrans P Z» - цифровий реєстратор Sirec DS;  перетворювач «Sitrans P ZD» - цифровий реєстратора Sirec DS. Інформацію ІВК «Sitrans P ZD» - цифровий реєстратор Sirec DS знімати з цифрового індикатора останнього «Schreiber 1», а іншого ІВК – з індикатора «Schreiber 2».

    5.5.1. Прямокутники записів результатів вимірювання та розрахунків варіації   в табл. 2 та табл. 3 розбити на дві частини, провівши діагональ від правого верхнього кута до нижнього лівого. Результати вимірювань (покази манометра) для  прямого «» ходу по  ХП записувати у верхніх частинах прямокутників, а для зворотного (▲) ходу (для варіації) – у нижній. Змінювати тиск у відповідності із пунктом 5.3.1 та одночасно знімати покази по цифровим індикаторам з екрану реєстратора  Sirec DS, що відображають передану дистанційно інформацію про тиски по двом каналам від  Sitrans P ZD та Z. Результати досліджень заносити у табл. 2  та табл. 3  у відповідні комірки колонки () прямого ходу по ХП у верхніх їх частинах.

5.5.2. Після досягнення максимального значення тиску, повторити дії, що наведені в п. 5.5.1, знижуючи тиск в системі до нуля. Отримані дані занести в табл. 2 та табл. 3 протоколу у колонки () зворотного ходу у верхніх їх частинах.

    5.6. Вимкнути задіяні пневмоклапани та живлення приладів і стенду.

6. Обробка результатів вимірювання.

    6.1. По отриманим даним табл. №1 визначити варіацію, абсолютну, відносну та приведену похибки манометра Sitrans P ZD по діапазону вимірювання. Прямокутники записів результатів розрахунків варіації   в табл. 1 розбити на дві частини, провівши діагональ від правого верхнього кута до нижнього лівого.  Увехній частині записувати варіацію для прямого () ходу по ХП, а нижній – для зворотного (▲).

    6.2. Скоригувати статичні характеристики перетворення каналів передачі інформації Sitrans P ZD та Sitrans P Z - Sirec DS до виду з усуненою початковою адитивною складовою. Для цього від значень, що знаходяться у комірках у верхній частині, вирахувати початкове значення сигналу, який відповідає мінімальному значенню тиску (усунути адитивні складові для прямої та зворотної гілок ХП). Отримані значення записувати у відповідну комірку в нижній її частині.

    6.3. Розрахувати кориговані характеристики перетворення каналів передачі інформації по каналу Sitrans P ZD та каналу Sitrans P Z.     

    6.3.1. Із табл.2 та табл.3 розрахувати різницю між максимальним   (при 120 кПа). та мінімальним (при 0 кПа) значенням показів цифрового реєстратора, зафіксованим ним по обом каналам для прямих гілок характеристик перетворення. Розраховані різниці повинні відповідати максимальному надлишковому тиску зразкового манометра  МО в дослідах, тобто, 110 кПа. Тому необхідно визначити коефіцієнт Км масштабу, на який необхідно помножити різниці з тим, щоб отримати в кінці діапазону 120 кПа.

    6.3.2.  Для кожної точки діапазону передачі інформації обох ІВК

розрахувати кориговане (дійсне) значення тиску, помноживши значення в нижніх частинах прямокутників у відповідних комірках на визначений коефіцієнт масштабу. Результати розрахунків заносити у відповідні комірки (коригована характеристика) колонок табл. 2 і табл. 3, які викорис-

товувати в подальшому як дійсні значення.

    6.4. По отриманим даним в табл. 2  та табл.3 для скоригованих ХП

обох ІВК визначити: варіацію, абсолютну, відносну та приведену похибки

по діапазону вимірювання.

    6.5. Побудувати для всіх приладів графіки: а) реальної статичної ха-

рактеристики перетворення; б) залежності зміни похибок по отриманим діапазонам вимірювання.

    6.6.  Зробити висновки.

                                          Контрольні запитання.

    1. Будова сенсору тиску з використанням тензорезисторів.

    2. Будова та склад манометрів фірми Siemens типу Sitrans P ZD та Z.

    3. Які чутливі елементи використовуються для вимірювання тиску?

    4. Чому дорівнює напруга у вимірювальній діагоналі мостової схеми?

    5. Які є одиниці вимірювання тису?

    6. Які  Ви знаєте види тисків і в чому їх різниця?

    7.  Які вимоги ставляться до зразкових приладів?

    8. Яке призначення та які можливості реєстратора Sirec DS?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2-Т-ДМ

ДЕФОРМАЦІЙНІ МАНОМЕТРИ

1. Мета роботи

    1.1.Вивчити принцип дії манометрів, в яких сили, що утворюються вимі-

рюваним тиском врівноважуються пружною деформацією ПВП.

    1.2. Вивчити принцип дії, конструкцію та методику перевірення де-формаційного трубчастого манометра. Провести перевірення приладу.

    1.3. Вивчити принцип дії, конструкцію та провести перевірення де-формаційного трубчастого манометра з диференційно-трасформа-торною передачою (типу МЕД) та вторинного приладу РМ1, що працює в комплекті із ним, та електроконтактного мановакуумметра ЕКМВ.

                                  2. Завдання на виконання роботи

2.1. Познайомитись з лабораторним стендом вимірювання тиску.

     2.2. Вивчити загальну теорію вагопоршневих та деформаційних манометрів, а також деформаційних манометрів з дистанційною передачою та приладу РМ1.  

2.3. Зняти реальні статичні характеристики перетворення трубчастих манометрів типів МТИ та МЕД в комплекті із РМ1,  провести  їхнє перевірення  по зразковому  манометру (МО).

     2.4. Вивчити принцип дії, конструкцію, технічні характеристики та використовування електроконтактного мановакуумметра ЕКМВ.

    2.5. Зняти реальну статичну характеристику перетворення мановакуум-

метра  ЕКМВ  та оцінити гістерезис  його вихідних сигналів

двопозиційного регулювання.

     2.6. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну,

відносну та приведену похибки по діапазону вимірювання для всіх приладів та побудувати графіки для приладів МТИ та МЕД: а) реальної  статичної характеристики перетворення та залежності діапазону вимірювання.

3.Загальна теорія деформаційних та вагопоршневих манометрів

3.1. Деформаційні манометри

    Деформаційні (далі ДМ) манометри, вакуумметри, мановауумметри, тягоміри, напороміри, диференціальні манометри та барометри складають велику групу приладів для технологічних вимірювань. Принцип дії деформаційних манометрів грунтується на використанні деформації або моменту згинання різних пругких чутливих елементів (ПВП, рис.1,а та рис. 2), які сприймають вимірюваний тиск середовища, та перетворюють його в переміщення або в зусилля. В ДМ вимірюваний тиск урівноважується величиною механічної напруженності в матеріалі первинного вимірювального

перетворювача (ПВП):             Рвим = Кпр ּ δ,                 (4) 

 де Кпр – коефіцієнт жорсткості пружного чутливого елемента, Н/м;

δ – деформація ПВП (чутливого елемента), м.

По виду ПВП  ДМ ділять на наступні групи:  мембрані ПВП (рис.1,а та рис.2,в), в яких в якості ПВП використовується плоска або гофрована мембрана;   анероїдні ПВП (внутрішній тиск в коробці практично відсутній) та манометричні (вимірюваний тиск подається в середину коробки) коробки (рис.2,г та  2,д);  блоки анероїдних та манометричних коробок (рис. 3,2 та 2,ж); ■  пружинно-мембранні ПВП з гнучкою мембраною (рис.2,з); сильфони (рис. 2,и);  пружинно-сильфонні ПВП (рис.2,к), ПВП з одновитковою (рис.2,а) та  багатовиткововими (гелікоїдальними, рис.2,б чи у вигляді спіралі) трубчастими пружинами.

     Мембрана – це кругла еластична пластина, що закріплена по периметру. Розрізняють плоскі (рис.1,а), випуклі (хлопаючі), неметалеві (вялі, рис.2,з) та гофровані (рис.2,в) мембрани.

    ■ Плоскі мембрани виготовляють із сталі, латуні, фосфористої бронзи, кремнію тощо і являють собою круглі тонкостінні платини постійної товщини. Така мембрана (рис.1,а) прогинається (її центр переміщується на деяку величину δ, а пунктиром показано положення поверхні мембрани за відсутності тиску) не тільки під дією рівнорозподіленого по її поверхні тиску Р, але і від напруження одночасного розтягування. В наслідок цього така мембрана має нелінійну характеристику перетворення (ХП)  δ=f(Р) і в приладах використовується тільки невелика початкова (відноно лінійна) частина її ходу δ. Плоскі мембрани використовуються у приладах тиску спеціальних конструкцій: п’єзокварцевих, ємнісних, індукційних та тензометричних.

Випукла (хлопаюча) мембрана має деяку початкову випуклість в сторону діючого на неї тиску і  спочатку відбувається плавне її прогинання по ХП δ=f(Р) під дією зростаючого тиску до точки втрати стійкості, а далі вона стрибкоподібно змінює прогинання в протилежну сторону. При подальшому зростанні тиску в ній знову монотонно збільшується прогинання δ. Такі

мембрани використовуються в приладах контролю та сигналізації.

а) б)

Рис.1 Схеми перетворення: а) уніфікованого пневматичного сигналу в уніфікований електричний  та б)  тиску у переміщення δ в плоскій мембрані.

Неметалеві (вялі) мембрани  (рис.2,з) виготовлють із тканини (капрон,

шовк)  у вигляді сітки, яку покривають пластмасою або бензомастилостійкою гумою. Її забезпечують жорстким центром (≈ 0,8 робочого діаметру займає металева кільцеподібна пластина). Для забезпечення сталої ефективної площини, кільцева частина залишку виконується у вигляді гофру, який формується при виготовлені мембрани. Такі мембрани використовуються для вимірювання малих надлишкових тисків та різниць тисків.

 

               Рис. 2. Деформаційні (пружинні) манометри.

Гофровані мембрани (рис. 2,вж). Гофри – це хвилеподібні кільцеві концентричні складки на плоскій мембрані, які значно лінеаризують ХП мембрани та підвищують надійність її роботи. Форми профілю гофру – сінусо-ідальні, пилкоподібні та трапецієвидні. Найчастіше використовуються в мемб-ранних коробках  (рис.2,г та д) – дві спаяні або зварені по периметру гофровані мембрани. Розрізняють анероїдні (рис.2,г) коробки та блоки (рис.2,е), в яких

внутрішній тиск відсутній і які використовуються як ПВП в барометрах, та

манометричні коробки (рис.2,д) або блоки (рис.2,ж)  манометричних коробок,

що використовуються для вимірювання навеликих надлишкових тисків та розріджень - як манометри, тягоміри та напороміри, а також для вимірювання різниці тисків в дифманометрах.

Сильфони (рис.2,и та к) – це тонкостінна трубка з гофрами, які являють собою глибокі хвилеподібні складки. Відрізняються прямолінійною залежністю зміщення δ дна сильфона від тиску. Розрізняють безшовні сильфони, які виготовляють гідравлічним або механогідравлічним методом із тонкостінних безшовних цільнотянутих трубок, та сильфони, що виготовлені методом зварювання по завнішньому та внутрішньому контурах із окремо штампованих гофрованих мембран. На стискування сильфони витримують тиск у 1,5 - 2 рази більший, чим при дії тиску із середини (рис.2,и).  Сильфони випускаються на

тиски в межах від 0,0001 до 600 атм.

Розглянуті ПВП (чутливі елементи) пругко деформуються і переміщуються

під впливом (рис.2) різниці між внутрішнім Р2 та зовнішнім Р1 тисками.

Величина цієї деформації (переміщення) є мірою різниці цих тисків. При відсутності вимірюваного тиску, яким може бути  або зовнішній або внутрішній тиск, чутливий елемент повертається у вихідне положення під дією пругкої деформації. Вихідний сигнал таких деформаційних ПВП тиску (переміщення)  перетворюються в конкретній конструкції вимірювального приладу (окремі приклади конструктивної реалізації цієї процедури показано на рис.: 2; 3,в; 4,а та 4,б)  на показання значень виміряної величини тиску Р.

    Деформація чутливого пругкого елемента в таких приладах обмежена або долями мм, або декількома мм. Тому в корпусі таких приладів, які відповідають тим чи іншим специфічним вимогам, крім основної частини (ПВП, пругкого  чутливого елементу),  знаходиться  також передавальний механізм,  який зас-тосовують для збільшення деформації пругкого чутливого елемента в необхід-ну кількість разів для переміщення показника по шкалі приладу (рис.3,в).

ДМ відрізняються простотою та надійністю конструкції, невеликими габа-

ритами, досить високою точністю, широким діапазоном вимірювання. Завдяки цим якостям деформаційні манометри широко застосовуються для вимірювання надлишкового тиску, розрідження та перепаду тиску, в різних галузях техніки

в діапазоні вимірювання від – 100 КПа до +1000 МПа.

                          3.2.Манометри з трубчастими пружинами.

    На рис.3,в приведена кінематична схема та загальний вигляд з окремими складовими частинами манометра з трубчастою одновитковою пружиною, що отримав найбільше розповсюдження.В цьому манометрі в якості ПВП використовується трубчаста пружина 2. Один кінець трубки 2 закріплюють нерухомо на цоколі 1, який в свою чергу закріплений гвинтами в круглому корпусі 3 манометра. Через штуцер цоколя в трубку 2 подається вимірюваний тиск. Другий вільний кінець трубки є герметично запаяним і зв’язаний повідком 6 з передавальним механізмом 7, який в свою чергу складається із зубчастого сектора  5 та шестерні, на вісь якої закріплена стрілка 4. Трубчаста пружина (одновиткова манометрична пружина, трубка Бурдона) являє собою пружну тонкостінну металеву порожнисту трубку еліптичного або плоскоовального перерізу, вісь якої вигнуто по дузі кола радіусом R (рис. 3,а) на кут γ в межах (180–270). Із подачею тиску у внутрішню порожнину трубчастої пружини її переріз прагне набути форми кола (рис. 3,б), тобто, мала вісь (розміром )  овалу чи еліпса збільшується, а велика (розміром 2b), навпаки, зменшується. Так як довжина трубчастої пружини залишається незмінною, а один кінець її жорстко закріплений в цоколі, через який подається вимірюваний тиск Р, то в пружині зі зростанням тиску виникає внутрішня напруженість, яка приводить до її розкручування і переміщенню вільного кінця.

    Докажемо це. Довжини внутрішньої та зовнішньої дуг трубчастої пружини (рис. 3,а) можна записати як:

            (5)

де r і R – відповідно радіуси внутрішньої та зовнішньої дуг пружини;

 γ - початковий кут закручення трубчастої пружини.

У разі деформування (зміни кута закручення) трубчастої пружини під дією

підведеного тиску Р до γ' відповідно зміняться радіуси внутрішньої та зовнішньої дуг (відповідно r' і R'), але довжина дуг (фактично  довжина

трубки) залишиться майже незмінною. Тому:

                    (6)

    в)

 Рис. 3. Схема зміни кута закручування одновиткової трубчастої пружини (а) та її перерізу (б) під дією тиску Р, та (в) - загальний вигляд трубчастого манометра

    Віднявши від першого виразу другий, отримаємо:

                                                       (7)

або використовуючи  рис. 3, б,  з якого видно, що R - r = 2а а R'- r'= 2а', можемо записати:                          а ּγ = а' ּγ',                           (8)

    де 2а' розміри  малої осі еліпса (овалу) поперечного перерізу трубчастої

пружини після її деформації відповідно за рахунок подачі тиску Р у її

внутрішню порожнину.

   А позаяк зі збільшенням тиску Р  а' > а, то γ' < γ, тобто трубчаста пружина

розкручується. Величина зміни кута  розкручування пружини Δγ дорівнює:

                                           Δγ = γ[Δа/(а+Δа)],                       (9)

де Δа - зміна довжини малої осі еліпса (овалу) під дією тиску.

    Розкручування трубки спричинює лінійне переміщення l її вільного кінця:

                    l =  Т *R (Δγ/γ ),                  (10)

де Т - коефіцієнт, залежний від початкового кута γ трубчастої пружини;

Δγ/γ  - відносний кут повороту вільного кінця пружини під дією тиску.

     Трубчасті пружини ДМ виготовляють із латуні, томпаку, бронзи (сплав міді з цинком, свинцем або оловом), берилієвої бронзи, сталі різних складів, або в останній час із сплавів нікелю. Механічні властивості матеріалу пружини ДМ залежать від її хімічного складу, характеру механічної та термічної обробки при

виготовленні і температури, при якій вона повинна працювати, а також залежать від домішок і обробки.

    Манометр має рівномірну шкалу в межах пругкої деформації пружини.

Промисловість випускає трубчасті манометри з одновитковою пружиною:

    відтворюючі показання типів ОБМ, МТП;

    відтворюючі показання та самописні типу МТС, зразкові – МО;

    з диференційно-трансформаторним перетворювачем типу МЕД;

    з електросиловим перетворювачем типу МП -Е ;

з пнемо-силовим перетворювачем типу МП-П;

    ■ електроконтактні манометри ЕКМ та мановакуумметри ЕКМВ.

   За призначенням трубчасті манометри поділяються на три групи :

     ■ зразкові (класи точності - 0,1;0,2; 0,35) - для повірки робочих манометрів в лабораторних умовах;

     ■ контрольні (класи точності - 0,4; 0,5;1,0) - для повірки робочих манометрів за місцем їх встановлення;

     ■ робочі (класи точності - 1,5;2,5;4,0) - для технічних вимірювань.

Манометри з гелікоїдальною пружиною (рис. 2,б) більш чутливі і мають

межі вимірювання  від 0 до 160 МПа, клас 1,0 ; 1,5. Але є великогабаритними приладами. Практика показала , що для високих тисків навіть абсолютна пряма товстостінна трубка з ексцентричним повздовжним отвором, який не доходить до кінця, під дією тиску речовини, що подається в її середину, теж деформується. Такі недеформовані  трубчаті пружини використовуються як чутливі елементи в приладах для вимірювання тиску від 1000 до 10000 кгс/см2 (100 до 1000 МПа) і  їхній клас точності  не перевищує 1,0. На тиски більше 100 МПа іноді до звичайної зігнутої товстостінної труби приварюють з внутрішньої сторони металеву стрічку, яка еквівалентна ексцентричності отвору.

    

          

  Рис. 4. Трубчаста пружина чотирьох-променевого(зірочного) перерізу.

    Ще одна різновидність трубчастої пружини приведена на рис.4, в якій використовують зірочний переріз.Такий переріз можна собі уявити як два овальних перерізи , розташованих під  кутом 900 одне до одного. Кут повернення вільного кінця пружини за зміни тиску може сягати  до (40-60)0.

У цьому випадку не має необхідності в передавальному механізмі, так як стріл-ка приладу може бути закріплена безпосередньо на вільному кінці пружини.

3.3. Диференціально-трансформаторні вимірювачі тиску.

    Схему вимірювального перетворювача тиску, оснащеного диференціально-

трансформаторним перетворювачем (ДТП) типу МЕД, зображено на рис.5,б.   

    Сам ДТП являє собою секційні котушки (збудження 7 та вторинні

вимірювальні 4 і 5, що намотані на циліндричний каркас із ізоляційного

матеріалу та циліндричного осердя 6 із магнітом’ягкого матеріалу, яке легко

переміщується в середині каркасу котушки. Котушки захищені корпусом із

магнітом’ягкого матеріалу, який є одночасно і екраном від впливу зовнішніх

електромагнітних полів.

    В перетворювачі лінійне зміщення осердя 6 перетворюється в зміну взаємної індуктивності між первинною та вторинними обмотками. Зміна вимірюваного тиску Р спричиняє зміщення осердя 6, яке кінематично з’єднане з вільним кінцем манометричної пружини 1. Під час проходження первинною обмоткою 7 змінного струму  збудження І1  виникають магнітні потоки, що індукують у секціях 4 та 5 вторинної обмотки відповідні електрорушійні сили (ЕРС), пропорційні зміщенню  х  осердя 6. Вторинні обмотки ДТП ідентичні, включені зустрічно та під’єднані до поділювача напруги на опорах  R1 та  R2 . Якщо осердя 6 знаходиться у нейтральному (середньому) положенні, тобто заходить порівну у секції вторинних обмоток 4 та 5, то загальна ЕРС Е вторинних обмоток  дорівнює нулю, бо в зустрічно включених обмотках наведені рівні між собою ЕРС. Подільник напруги забезпечує взаємозамінність ДТП.

    При зміщенні осердя 6 від середнього положення під дією вимірюваного тиску па величину х наведені ЕРС в обмотках зміняться і появиться різницева ЕРС Е, яка пропорційна цьому зміщенню, а крім цього  з фазою 0 або 180° в залежності від напряму зміщення осердя 6 від нейтрального положення. Таким чином, вихідний сигнал ДТП  Uвих   пропорційний значенню вимірюваного тиску Р з певним значенням фази

               б)        

Рис.5: (а) - електроконтактний манометр типу ЕКМ; та б) - схема диференціально-трансформаторного вимірювального перетворювача тиску типу МЄД: 1 - манометрична пружина; 2 - ДТП; 3- шток; 4,5 - секції вторинної обмотки;  6 – магнітом'ягке осердя (плунжер); 7- первинна обмотка збудження.

                   Сигнал  Е різниці підсилюється та обробляється фазочутливим

підсилювачем вторинного приладу, який розміщується на деякій відстані.

    ДТП працюють в системах дистанційної передачі із вторинними приладами

серій, наприклад, КВД та КСД (вміщує дисковий паперовий реєстратор), які

вміщують в собі ще один ДТП та систему, що реалізує компенсаційний метод вимірювання  і відслідковує положення осердя вимірювального ДТП за допомогою реверсивного двигуна. При цьому положення осердя в вторинному

приладі відповідає положенню осердя у вимірювальному ДТП, а кут повороту

реверсивного двигуна несе в собі вимірювальну інформацію.

    Сучасні манометри  з ДТП випускаються із струмовим перетворювачем на виході класу точності 1,0. Фірма «Овен» (Росія) випускає «Перетворювач уні-фікованого сигналу у цифровий код РМ1», який використовується як вторинний прилад для вимірювання, індикації, реєстрації та корекції  тиску та температури, або різниці тисків, або плинної та сумарної  витрати рідин, пари та газів в режимі реального часу з урахуванням температури та тиску у трубопроводі. РМ1 замінює приладу КСД і дозволяє підключення до його входу стандартних взаємозамінних ДТП, а також будь-які ПВП з уніфікованими струмовими сигналами. Одна із функцій, яку реалізує прилад, є вимірювання та індикація надлишкового тиску, інформація при який може надходити  уніфікованим сигналом по струму або від ДТП.  Останній канал вимірювання досліджується у роботі.

Первинні вимірювальні перетворювачі тиску з ДТП мають такі типові мет-

рологічні характеристики: нелінійність ±0,5...1 % від діапазону вимірювання; гістерезис - менше ніж 0,05 % від діапазону вимірювання; вихідний сигнал-50...500 мВ. Переваги ПВП з ДТП: великий вихідний сигнал; малий гістерезис, можливість застосування в агресивному середовищі (наприклад, за наявності іонізуючих випромінювань); недолік - чутливість до ударів і вібрацій.

3.4. Електроконтактний манометр типу ЕКМ

Електроконтактні трубчасті манометри типу ЕКМ широко застосовуютьсядля вимірювання, сигналізації та регулювання тиску, а також використовуються як відтворюючі показання та сигналізуючі типу ЕКМ-IV.

За принципом дії ЕКМ аналогічний манометру  з трубчастою одновитковою пружиною. Для сигналізації та регулювання має контактний механізм (рис. 5,а),  який містить три електроконтакти, два з них встановлені на задавачах верхньої 2 та нижньої 1 межі, а третій на вказівній стрілці 3. Встановлення задавача на необхідні межі здійснюється обертом гвинта 5. Якщо вимірюваний тиск збільшується і досягає верхньої заданої межі, замкнеться контакт між вказівною стрілкою й здавачем верхньої межі, зі зниженням тиску до нижньої межі замикається контакт між стрілкою і задавачем нижньої межі.

Такі прилади виготовляють у вигляді: манометрів, мановакуумметрів та вакуумметрів.

Електроконтактний манометр типу ЕКМ випускаються з межами вимірю-вання від 1 до 1600 кгс/см (0,1 - 160 МПа). Клас точності приладів ЕКМ - 2,5.

Мановакуумметри типу ЕКМВ випускаються з верхньою межею

вимірювання вакуум метричного тиску до 1 кгс/см (0,1 МПа), а

надлишкового - від 1 до 25 кгс/см ( 0,1 до 2,5 МПа).

Електроконтактні вакуумметри випускаються із верхньою межею

вимірювання вакууму до 0,1 МПа. Ці прилади використовуються в системах

автоматизації в схемах сигналізації та захисту обладнання. Встановлюються, наприклад, для регулювання тиску у варильних котлах та автоклавах і таке інше. Розривна потужність електричних контактів - 10 ВА при максимально можливому струмі не більше 1 А.

                                 3.5. Пневмоелектричні перетворювачі.

    Пневмолектричні перетворювачі відносяться до міжгілкових перетворювачів і призначені для пропорційного претворення уніфікованого пневматичного сигналу 20... 100 кПа в аналоговий сигнал 0...5 мА. Принцип їх дії грунтується на електросиловій компенсації зусиль, викликаній дією пневматичного сигналу.

Варіант виконання пневмоелектричного перетворювача приведений на рис.1,а.

    Пневмоелектричний перетворювач складається із манометричного чутливого елемента ( трубчастої одновиткової пружини 1). Під діє тиску Рвх остання деформується (розкручується), що спричиняє пропорційне лінійне переміщення її вільного кінця у відповідністю із залежністю (10) (розділ 2.3). Далі це переміщення передається через пружину 6 на точку «а» вежеля 3 із магнітом’ягкого матеріалу, який може прокручуватись відносно опори 0. При збільшенні тиску важель 3 другим кінцем наближається до котушки L і викликає зміну (збільшення ) її індуктивності, а відповідно, і зменшенню власної резонансної частоти коливального контуру «L - С», підключеного до входу електронного підсилювача ЕП. Зміна резонансної частоти контуру перетворюється в ЕП в струм Івих = 0.. .5 мА, який надходить у лінію зв’язку дистанційної передачі й далі - на вторинний прилад ВП. Одночасно Івих проходить через витки котушки зворотного зв’язку 4 і взаємодіє з магнітним полем постійного магніту 5. Виникає компенсувальне зусилля зворотного зв’язку   Рзз = к Івих, де к - постійний коефіцієнт для даної конструкції. Зусилля Рзз утворює обертальний момент Мзз = Рзз* l, де l - плече дії сили Рзз відносно опори 0. В протилежному напрямку діє вимірювальний момент Мв, утворюваний вимірювальним зусиллям розкручування пружини Рв = fвх), причому Мв = Рв*lа0, де lа0 — плече дії сили Рв  відносно опори 0. У стані компенсації Мв = Мзз і рух важеля 3 припиняється. Поточному значенню тиску Рвх відповідатиме певне значення вихідного струму Івих, тобто Івих = f (Рвх). Встановлення діапазону вимірювань здійснюється за допомогою гвинта 2 (нижча межа) і переміщенням опори 0 важеля 3 (верхня межа). Клас точності перетворювача - 1,0.

3.6. Вагопоршневі манометри .

В них тиск зрівноважується тиском, який утворюється в циліндрі, що

заповнений робочою рідиною, мірними вагами (гирями) та вагою не

ущільненого поршня (рис.6,а), тобто, поршня 1, який входить в циліндр 2 з рівномірним по колу і невеликим по величині (<0,01мм) зазором. Будучи оточеним робочою рідиною (мастилом), що протікає через цей зазор, і зовсім не

доторкуючись до внутрішньої поверхні циліндру, поршень знаходиться в рідині

у зваженому стані.

Рівняння рівноваги сил найпростішого поршневого манометра (рис.6,а)

має вигляд:                           G =  Т +  РּF,        (1)      де  G - сила, що прикладена до поршня; Р  - вимірюваний тиск; F площа поперечного перерізу поршня; Т- сила рідинного тертя до бокової поверхні поршня. 

    Після перетворення (почленного ділення на  Р ) одержимо:  

                                           Р = G/( F + Т/P ) = G / Fеф = kּG,     (2)

    де   k=1/ Fеф ;    Fеф = F+ Т/Р - ефективна площа поршня.

    Теоретичні й експериментальні дослідження показали, що сила рідинного тертя Т  пропорційна тискові Р , тобто Т / Р = соnst. Тому Fеф не залежить від тиску, з чого випливає, що вимірюваний тиск прямо пропорційний силі, яка зрівноважує його.

                                  

                                  а)                                                  б)

Рис.6. Схеми:  а) - не ущільненого поршня та б) - манометра типу МП-2,5

      Найбільш часто вимірюваний тиск зрівноважують вагою зовнішнього

навантаження (набір дисків-важок). Рівняння вимірювання цих манометрів має вигляд:                                      Р = (mּg)/ Fеф,                                 (3)

     де m - маса поршня та навантаження на нього;  g - прискорення падіння.

Таким чином  утворюють тиск  рідини в циліндрі до тисяч атмосфер. При цьому зберігається гідростатичний принцип дії приладу. Рівномірність заповненого рідиною кільцевого зазору, що оточує поршень, досягається повільним (30об/хв.) повертанням поршня 3 з важками 1 навколо своєї осі (рис.6,б). Так як рідина має певну в’язкість , то при обертанні утворюється зусилля, яке відштовхує поршень від стінок циліндру (ефект віджимання).

Завдяки нестисливості використовуваної робочої рідини поршневі

вимірювачі тиску мають дуже високий клас точності (0,02; 0,05), тому їх широко використовують для перевірення манометрів і вакуумметрів (зокрема, й зразкових), а також дифманометрів (рис. 6,б).

Відповідно із стандартом випускаються манометри вагопоршневі 1-го розряду з допустимою основною приведеною похибкою 0,02% від вимірюваного тиску, якщо він лежить в межах від 10 до 100% верхньої межі

вимірювання. Відповідно для другого розряду ця ж похибка дорівнює 0,05%.

Типи вагопоршневих манометрів: наприклад, МП-2,5 (рис.6,б) з верхньою

межею вимірювання 0,25 МПа (2,5 кгс/см2); ■ МП-60 з діапазоном вимірювання від 1 до 6 МПа  (від 1 до 60 кгс/см2). Їх класи точності відповідно 0,02 та 0,05. Вони використовуються в якості лабораторних приладів, що відтворюють міру тиску, при перевіренні робочих манометрів.

4. Завдання та методика виконання роботи.

    Завданням на роботу є перевірення трубчастих деформаційних манометрів

з одновитковою пружиною типів ОБМ, МЕД та мановакуумметра ЕКМВ та

дослідження їхніх статичних характеристик перетворення.       

    Перевірення виконується порівнянням показань манометра з одновитковою пружиною класу 0,6 , манометра типу МЕД та електроконтактного мано- вакуумметра  ЕКМВ з показаннями зразкового манометра (МО) класу 0,4.     

5. Порядок виконання роботи

    5.1. Перевірення трубчастого манометра.

                                                                                         Таблиця 1

Покази манометра за умови ходу, кгс/см2

Варіа-ція, кгс/м2

                   Похибка за умови ходу

Робо-чого

Контрольного

Абсолютна, кгс/м2

Відносна, %

Приведена, %

  

  

 

  

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

    

    5.1.1. Перевірення робочого трубчастого манометра здійснити на грузопоршневому манометрі. Тиск, який одночасно подається на зразковий та робочий манометр, що під’єднаний до циліндра 5, змінювати за допомогою штурвала 8 та поршня 7. В цьому випадку вентиль надходження масла у циліндр 4 повинен бути закритим.

    5.1.2. Зняти пряму () гілку характеристики перетворення робочого

манометра. Для цього, повільно повертаючи штурвал в прямому напрямку

(по годинниковій стрілці), збільшувати тиск в системі від 0 до 24 ат. При значеннях тиску на робочому манометрі, що кратні 2 ат (оцифровані значення шкали робочого манометра), знімати покази по зразковому

манометру та заносити в табл.1.

     5.1.3.Повільно обертаючи штурвал в зворотному напрямку, зняти

зворотну (▲) характеристику перетворення при тих же оцифрованих значеннях шкали робочого манометра. Результати вимірювань заносити у

табл. 1 у колонку зворотного ходу.

5.2. Перевірення трубчастого манометра з ДТП у комплекті з РМ1.

    Для перевірення трубчастого манометра з диференційно-трасформаторною

передачею (типу МЕД), останній отримує живлення від генератора- задавача приладу РМ1, який випрацьовує синусоїдальний струм І1 частотою 70 Гц та

величиною 10 мА для живлення первинної обмотки перетворювача (рис.4,б).

Різниця Е ЕРС вторинних обмоток перетворювача обробляється у спеціальному обчислювачі приладу РМ1 для режиму роботи з відтворенням інформації про тиск, що вимірюється трубкою Бурдона. Індикація тиску

відтворюється на верхньому цифровому індикаторі РМ1 в кПа.

                                                                                                  Таблиця 2

Покази за умови ходу,

           кгс/см2

Варіація, кгс/м2

 

 

                  Похибка за умови ходу

Зразко-вого

Приладу РМ1

Абсолютна, кгс/м2

Відносна, %

Приведена, %

  

  

 

 

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

     5.2.1. Ввімкнути тумблер подачі живлення  “Живлення ~220В” на стенд та ввімкнути  тумблер подачі живлення  на прилад РМ1. Ввімкнути пневмоклапани зразкового манометра  та манометра з ДТП.

     5.2.2. Клавішою [»] РМ1, вибрати режим його роботи для відтворення тиску та температури. Правильно вибраний режим підтверджується світінням світлодіодів Р [кПа] та Т[С].

     5.2.3.  Зняти пряму  () гілку характеристики перетворення каналу

«трубчастий манометр з ДТП – вторинний прилад РМ1».  Для цього за

допомогою регульованого пневматичного вентиля, що знаходиться під зразковим манометром, збільшувати тиск повітря у системі від нуля до максимального значення (0,12 МПа). Значення тиску на  зразковому манометрі  повинні відповідати оцифрованим поділкам з дискретністю 10 кПа. Одночасно знімати покази приладу РМ1 в режимі індикації тиску  манометра. Дані заносити до таблиці 2 протоколу перевірення у колонку прямого ходу () по характеристиці перетворення манометра.

     5.2.5. Повторити дії, що наведені в п.5.2.4, знижуючи тиск в системі до нуля для зворотної гілки (▲)  ХП; отримані дані занести в таблицю протоколу у

колонку зворотного ходу ().

5.3. Перевірення електроконтактного мановакуумметра ЕКМВ.

   5.3.1. Ввімкнути пневмоклапани зразкового манометра  та «ЕКМВ».

   5.3.2. За допомогою пневматичного вентиля збільшувати тиск повітря у

системі від нуля до максимального значення (0,6 МПа). Значення тиску на  

манометрі ЕКМВ повинні відповідати оцифрованим поділкам з дискретністю 10 кПа. Одночасно знімати покази зразкового манометра. Дані заносити до таблиці 3 протоколу повірки у графу () прямого ходу по характеристиці перетворення ЕКМВ для зразкового манометра.

    5.3.3. Під час знімання характеристики перетворення фіксувати тиск в момент вимикання зеленої та вмикання червоної ламп сигналізації про вихід тиску за встановлені межі для ЕКМВ.

     5.3.4. Повторити дії наведені в п.3 знижуючи тиск в системі до нуля; отримані дані занести в таблицю протоколу у графу зворотного ходу.

     5.3.5. Фіксувати тиск в моменти повернення двопозиційного регулятора у вихідний стан.  

                                                                                                          Таблиця 3

Покази за умови ходу, кгс/см3

Варіа-ція, кгс/м2

 

                  Похибка за умови ходу

ЕК

МВ

Зразкового МО

Абсолютна, кгс/м2

Відносна, %

Приведена, %

 

  

 

 ▲

  

  

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

6. Обробка результатів вимірювань

    6.1. По отриманим даним визначити варіацію,абсолютну, відносну та

приведену похибки манометрів по діапазону вимірювання.

   6.2. Побудувати  графіки: а) реальної статичної характеристики перетво-

рення;  б) залежності  відносних та приведених похибок по отриманому

діапазону вимірювання та оцінити величину гістерезису ЕКМВ.

   6.3. Зробити висновки по роботі.

                                            Контрольні питання.

  1.  В чому полягає принцип дії деформаційних манометрів (ДМ)?
  2.  Які знаєте групи ДМ та в чому їх відмінності?
  3.  В чому полягає принцип дії  трубчастих ДМ?
  4.  В чому полягає принцип дії  трубчастих ДМ з ДТП?
  5.  Докажіть, чому трубчастий ДМ розкручується з зростання тиску?
  6.  Що таке анероїдна мембранна коробка?
  7.  Що являє собою прилад ЕКМВ?
  8.  Поясніть принцип роботи пневмосилового перетворювача.

9.  Призначення перетворювача РМ1 фірми «Овен».

10. Суть роботи та призначення манометрів типу МП 2,5 та МП 60.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3 –Т- DS

ВИМІРЮВАННЯ РІЗНИЦІ ТИСКІВ. ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДИФЕРЕНЦІАЛЬНОГО ТИСКУ SITRANS  Р  DS III

1.Мета роботи

     1.1.Вивчити загальну класифікацію манометрів за принципом дії.

1.2. Вивчити принципи дії манометрів, в яких сили, що утворюються вимірюваним тиском, врівноважуються відомою силою ваги манометричної рідини, або призводять до зміни активного опору ПВП.

 1.3. Вивчити принцип дії, конструкцію та методику повірення перетворювача диференціального тиску Sitrans P DS III фірми «Siemens» з цифровою індикацією  та уніфікованим вихідним сигналом по струму.

1.4. Провести перевірення приладу Sitrans P DS III.

                                  2. Завдання на виконання роботи

  2.1. Познайомитись з лабораторним стендом.

  2.2. Вивчити загальну теорію рідинних манометрів та манометрів опору.

  2.3. Вивчити загальні відомості про диференціальні манометри, область їх використовування. Вивчити загальну класифікацію манометрів по виду вимірюваного тиску. Вивчити методику вимірювання тиску.                 

   2.4. Вивчити будову сенсорів  та загальну  структурну  схему  вимірювального диференціального перетворювача Sitrans P DS III з цифровою індикацією  і  уніфікованим  вихідним  сигналом  по струму.

   2.5. Зняти реальну статичну характеристику перетворення дифманометра Sitrans P DS III.

   2.6. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну, відносну та приведену похибки дифманометра по діапазону вимірювання та побудувати графіки: а) реальних  статичних характеристик перетворення манометрів, що перевіряються;  б) залежності похибок по отриманому діапазону вимірювання різниці тисків.   

3.Загальні теоретичні відомості.

3.1.Класифікація манометрів за принципом дії.

 По принципу дїї манометри можуть бути розділені на дві великі групи:

    ■ до першої групи відносяться прилади, в яких сили, що утворюються

вимірюваним тиском, врівноважуються відомими силами (силою ваги чи

пружною силою деформації); до цієї групи входять: рідинні,  вагові та

деформаційні манометри;

■ другу групу утворюють прилади, тиск в яких вимірюється по зміні іншої

фізичної величини  (як правило, електричної) під дією сил вимірюваного тиску.   

В основу принципу дії електричних манометрів, що отримують найбільше розповсюдження за останнім часом, покладені різні фізичні явища і їх відповідно розділяють на манометри:

опору – принцип дії ґрунтується на зміні електричного опору провідника чи

напівпровідника від зміни його площі поперчного перерізу, спричиненою

деформувальною дією вимірюваного тиску;

п’єзоелектричні – принцип дії грунтується на виникненні електростатич-

них зарядів різних знаків на протилежних гранях кристалів (турмаліну, кварцу,

титанату барію тощо), стискуваних зусиллям, яке є вихідним сигналом відпо-

відного деформаційного ПВП тиску;

    ■ ємнісні – принцип дії грунтується на зміні відстані між пластинами (елект-родами) плоского конденсатора, одна із яких є рухливою мембраною і перемі-щується під дією вимірюваного тиску;

тензорезисторні – принцип дії грунтується на деформації мембрани з  монокристалічного сапфіра та розташованими на ній і з’єднаними за мостовою схемою тензорезисторами, на яку через кремнієорганічну рідину передається зусилля від металевої гофрованої мембрани ПВП тиску;

п’єзорезисторні – принцип дії грунтується на деформації мембрани з  монокристалічного кремнію та вбудованими в неї методом дифузії  і з’єднаними за мостовою схемою кремнієвими п’єзорезисторами, на яку через силіконову рідину передається зусилля від металевої розподільчої мембрани ПВП тиску;

теплові – (принцип Пірані) грунтуються на залежності теплопровідності розріджених газів від степені їх розрідження і використовуються для вимірю-ванння тисків від 0,01 до 100 мм рт. ст.. При цих значеннях тиску кількість молекул, які приймають участь у передачі тепла, становиться обмеже-ною, і їх зменшення при подальшому зниженні тиску стає дедалі відчутним. ПВП типу МТ-6 вакуумметра ВСБ-1 являє собою скляний балон з натянутою в ньому вольфрамовою ниткою, яка розжарена до 200 °С. Втрати тепла ниткою, які залежать від тиску вимірюють по спаду напруги на нитці за мостовою схемою.

оптичні – принци дії грунтується на зміні показника заломлення світла у газі із зміною тиску;

акустичні – використовується зміна густини газу із зміною тиску і зв’язану з нею зміну резонансної частоти заповненого газом коліна укороченого  рідинного манометра, який є резонатором;

іонізаційні (вакуумметри та манометри) – принцип дії грунтується на іонізації потоком електронів, які випромінюються розжареним катодом або радіоактивною речовиною, більшого чи меншого числа молекул газу в ПВП в залежності від тиску, що призводить до зміни іонного струму.

3.2. Рідинні манометри та дифманометри

Рідинні манометри засновані на гідростатичному принципі, коли вимірю-

ваний тиск врівноважується гідростатичним тиском стовпа манометричної

рідини, висота якого визначає вимірюваний тиск.

Самими розповсюдженими із них є:  двохтрубний (U - подібний) манометр

або вакуумметр (рис. 1,а) та однотрубний (чашковий) манометр з постійним (рис. 1,б) або змінним (рис. 1,в) кутом нахилу (мікроманометр).

    U – подібний манометр (двотрубний), що показаний схематично на рис. 1,а, – простіша різновидність рідинного манометра, який використовується для вимірювання надлишкових тисків так і різниці тисків. Для виготовлення використовують скляну трубку внутрішнім діаметром 6-8 мм і довжиною на 10-20% більше подвоєного граничного значення тиску, і що суттєво – незмінного по довжині внутрішнього перерізу, який повинен бути достатньо рівномірним.   

Наприклад, капля ртуті розміром 20 мм при її переміщенні від початку до

кінця трубки повинна змінювати розмір не більше ніж 0,2 мм, тобто 1%.

Трубку згинають U – подібно і до половини заповнюють манометричною  рідиною (спирт, дистильована вода, ртуть).

Шкалу роблять рухомою з міліметровими поділками (показана умовно в

середині на рис. 1,а).  При проведенні вимірювання тиску прилад встановлюють

вертикально по рівню, а результат  отримують в міліметрах робочої рідини.

Перед початком роблять перевірення нуля, з’єднавши з атмосферою кінці трубок обох кінців і виставляють нуль шкали.

г)  Рис. 1. а..в) - рідинні манометри та г) – електропневматичний перетворювач.

    

    Якщо праве коліно з’єднати з простором, де вимірюється тиск Рабс, а ліве – залишити під впливом атмосферного тиску Ратм, то в залежності від того,       абсолютний тиск Рабс більше чи менше від атмосферного Ратм, дістаємо або манометр (напоромір) або вакуумметр (тягомір). Якщо до кожного коліна

підвести тиск, відмінний від атмосферного, то дістаємо – диференціальний

манометр (дифманометр).

Якщо Рабс > Ратм, то рівень манометричної рідини в правому коліні опускається на h1 мм. Так як Ратм < Рабс, то рівень рідини у лівому коліні піднімається на  h2  мм, після чого система приходить в рівновагу. В цьому стані тиски в обох колінах рівні і складаються із тисків, які діють на поверхні рідин в кожному із колін (Рабс - в правому та Ратм - в лівому), та плюс додаткові тиски стовпа середовища над манометричною рідиною у правому коліні, утвореного зміщенням манометричної рідини вниз, і стовпа манометричної рідини у лівому

коліні, утвореного зміщенням манометричної рідини вверх, тобто:

                Рабс + (h1+ h2)ּρ2 * g = Ратм + (h1+ h2) *ρ1 ּg,         (1)

і  звідки витікає рівняння рідинного манометра:

                      Рабс - Ратм = (h1+ h2) *(ρ1- ρ2)*g,                           

або                 Рабс = Ратм + (h1+ h2)* (ρ1- ρ2) *g,                         (2)

де Рабс – абсолютний вимірюваний тиск у апараті, Н/ м2 (Па);  Ратм – атмосферний тиск;    ρ та  ρ2 – відповідно густина манометричної рідини та середовища над манометричною рідиною, які заповнюють ліве та праве коліно

манометру (кг/м3); g – місцеве прискорення вільного падіння (м/с2).

Таким чином, вимірювані надлишковий чи вакуумметричний тиски, або різниця тисків вимірюється стовпом  h робочої рідини, що визначається як сума стовпів (h = h1+ h2) в обох колінах. Для визначення висоти стовпа маномет-

ричної рідини необхідно виконувати два відліки (зниження в одному коліні та піднімання - у другому). По залежності (2) результат вимірювання може бути наданий у Па, а якщо його помножити на 0,102, то отримуємо результат, виражений у кгс/м2.

    Рідинні манометри прості в експлуатації, їх абсолютна похибка вимірювання не перевищує 2 мм стовпа робочої рідини (по резуль-татам відліку висоти рідини у кожному із двох колін, що є недоліком таких приладів).

Якщо над рідиною в такому приладі знаходиться газ (ρ>> ρ2 = ρ), то

                        Рабс = Ратм + (h1+ h2) * ρ * g = Ратм + h* ρ *g.      (3)

Якщо кінець трубки лівого коліна (рис. 1,а) запаяти і із нього повністю видалити повітря (для цього така трубка повністю заповнюється ртуттю на таку довжину, що при приведенні її у вертикальне положення частина ртуті перетікає у праве коліно, а у лівому коліні із запаяним кінцем утворюється вакуум), то отримуємо сифонний ртутний барометр. В такому барометрі тиск у лівому коліні дорівнює нулю, а правому – вимірюваному абсолютному тиску, який дорівнює атмосферному тиску. По аналогії з рівнянням (1), рівняння рівноваги тисків для правого та лівого коліна може бути записане у вигляді:

                     Ратм + h1 * ρ1 * g =  h2 * ρ1 * g.                                 (4) 

В цьому випадку інформацією про атмосферний тиск є різниця  (h2 - h1 ),

так як                Ратм  = (h2 - h1 ) *ρ1 * g .                                       (5)

Перевагою однотрубного (чашкового) манометра (рис.1,б) є один відлік положення меніску рідини в  трубці приладу. Він являє собою модифікацію двохтрубного,  в  якому одне із колін замінене широким резервуаром (чашкою).     

При вимірюванні - надлишковий тиск під’єднують до резервуару, вимірюване розрідження - до трубки, а результатом вимірювання є висота стовпа рідини у вертикальні трубці приладу. При підніманні рідини в трубці на висоту h2 рідина в резерварі опускається на висоту h1 і ці величини зв’язані рівністю: s*h2 = S*h1, де s та S площина перерізу трубки та резервуару відповідно. Істинна висота стовпа рідини дорівнює: h = h1+ h2 = h1 (1+ s/ S).

Вимірюваний тиск:       Рабс = Ратм + h2 * g * (1+ s/ S) (ρ1- ρ2).       (6)

Як бачимо похибка, вимірювання приладу залежить від співвідношення площин поперечного перерізу трубки та резервуару і може (при потребі)  бути скільки завгодно малою. В основному для чашкових манометрів вибирають відношення   s/S 1/400, яким нехтують.  При цьому без внесення суттєвої

похибки можна рахувати, що   Рабс = Ратм + h2 * g * (ρ1- ρ2).              (7)

Верхня межа вимірювання тиску розглянутих рідинних манометрів

обмежується їх допустими габаритними розмірами і вони воготовляються на вимірювання тисків не більше 0,2 МПа.

Для вимірювання малих тисів в межах 157-980 Па з  γпр≤1,5% використовуються мікроманометри з трубкою під нахилом (рис.1,в). В наслідок розміщення трубки під нахилом висота h2 стовпа рідини, що зрівноважує вимі-рюваний тиск, h2 = l ּ sinα, де  lпереміщення меніска рідини в трубці, що відліковується по шкалі.  Вимірюваний тиск дорівнює:

                     Рабс = Ратм + l ּ sinα * g ּ (1+ s/ S) (ρ1- ρ2).                 (8)

При точних вимірюваннях тиску рідинними манометрами необхідно вводити поправку на висоту стовпа рідини в трубці, яка залежить від величини приско-рення g вільного падіння в даній місцевості, визначаємого в спеціальних граві-таційних центрах. Коригована hк дорівнює: hк = h2 (g/gн), де  gн =9,80665м/с2.  

3.3. Електропневматичний перетворювач та електричні манометри опору

Електропневматичні перетворювачі (рис.1,г) призначені для пропорційного перетворення аналогового сигналу 0...5 мА в уніфікований пневматичний сигнал 20...100 кПа. Принцип дії таких пристроїв грунтується на пневмосиловій компенсація зусиль, утворюваних електричним сигналом.На електромеханічний перетворювач 8 подається стандартний сигн Івх = 0...5 мА від вимірювального блока. Цей струм, проходячи по виткам котушки 1, яка знаходиться у полі постійного магніту 8, утворює зусилля Рв = к Івх, де к = - постійний коефіцієнт. Зусилля Рв передається важелю 4. Останній повертається відносно рухомої опори 0. Одночасно змінюється зазор δ між соплом 3 та заслінкою 2. Наприклад, із зростанням величини Івх  збільшується значення Рв, зменшується значення δ, що призводить до зростання тиску Рвих на виході з пневмопідсилювача 7, тобто р    Рвих =fвх).Вихідний тиск Рвих  одночасно подається у сильфон 6 зворотного зв’язку. Цей сильфон перетворює тиск у зусилля  зворотноо зв’язку Рзз = Рвих*S , де S - ефективна площа сильфона. Рівновага рухомої системи поновиться за умови,якщо Рв = Рзз, за відповідного співвідношення між значеннями Івх та Рвих перетворювача.

    Для зменшення впливу коливань температури навколишнього середовища служить мідний шунт Rm та опір із манганінового дроту R. Тиск 20 кПа виставляється за допомогою пружини 5, а 100 кПа - переміщенням рухомої опори 0. Клас точності таких перетворювачів — 0,6; 1,0.

Для вимірювання тиску в важкодоступних місцях використовуються елект-

ричні манометри опору. Принцип дії приладів цієї групи грунтується на непрямому методі вимірювання - зміні електричного опору чутливого елемента під дією зовнішнього тиску, які функціонально пов’язані між собою.

В таких манометрах використовується метал або напівпровідник з великою зміною опору під дією тиску, тобто, з великим, так званим, п’єзокоефіцієнтом та малим температурним коефіцієнтом опору.Зміна опору R  металу (в Ом), при прикладеному до нього тиску Р, відповідає залежності:  R  = Кр*R*Р,      (9),  де  Кр - п’єзокоефіцієнт; R - опір металу за нульового тиску, Ом.

Принципово такий манометр (використовується для вимірювання високих тисків – до 3ГПа). являє собою масивний порожнистий корпус, в порожнину якого подають тиск і де знаходиться вимірювальна котушка, на якій в один рядок намотаний (без натягу) тонкий манганіновий дріт діаметром 0,05 мм та менше. Опір дроту вимірюють за допомогою відомих приладів: логометра, автоматичного моста тощо. Напівпровідникові ПВП являють собою кремнієві

діоди з паралельно ввімкненими активними опорами і використовуються як

високочутливі вимірювачі різниці тисків за статичного тиску до 150 МПа.

3.4. Перетворювач   Sitrans P DS III

    Загальний вигляд вимірювального перетворювача Sitrans P DS III та схема

вимірювальної комірки (сенсора) дифманометра приведена на рис.2.  Із схеми видно, що датчик складається: із двох розподільчих мембран 1 (більшого тиску «+» та меншого - «-») ; двох О-подібних кілець, що фіксують мембрани 1;  кремнієвої вимірювальної мембрани 3 з тензомодулем 4; корпусу вимірювальних комірок 6 з боковими фланцями 5 та рідини наповнення 7 (силіконове мастило).

Вимірювана різниця тисків через розподільчі мембрани 1 і наповнення 7 

передається на вимірювальну мембрану 3, деформуючи її. Одночасно деформується і  кремнієвий сенсор (тензомодуль) 4. Чотири встановлених на вимірювальну діаграму по мостовій схемі тензорезостори (п’єзоопори) змінюють завдяки поданому тиску свій опір. Зміна опорів визиває зміну

напруги у вимірювальній діагоналі мосту, що пропорційна різниці тисків на

    

       Рис.2. Загальний вигляд та будова  ПВП дифманометра Sitrans P DS III

входах «+» та «-».При перевищенні різниці тисків межових значень, що

допустимі для даного датчика, відхиляючись мембрана 3 торкається стінок

корпусу 6 і захищає сенсор 4 від перевантаження. Для особливих випадків використовування, наприклад, вимірювання тиску високов’язких матеріалів,

 вимірювальні перетворювачі Sitrans P DS III поставляються з розділювачами

тиску різноманітної конструкції.

     Фірмою “Siemens” випускаються вимірювальні перетворювачі різниці тисків тиску Sitrans P серії МК-ІІ з вбудованими аналоговими та серії MS, DS - цифровими індикаторами.  З аналоговими індикаторами виготовляються перетворювачі на діапазон 0,23-160 бар, а цифровим – на межі 0,03-400 бар.  Серія DS SITRANS P може вимірювати крім різницевого (диференціального) тиску, також надлишковий та абсолютний тиски.

    Структурна  схема вимірювального перетворювача  DS ІІІ приведена на рис.3. Вхідний вимірювальний тиск, або різниця тисків, перетворюється в сенсорі 1 (тензомодулі) в електричний сигнал, який  підсилюється в 2 та  перетворюється в цифровий код в АЦП 3. Цифрова інформація опрацьовується

в мікроконтролері 4 з одночасною корекцією характеристики перетворення по

температурі та лінійності, і перетворюється в ЦАП 5 в вихідний уніфікований

струмовий сигнал, що об’єднується одночасно із струмом живлення.

    Тобто, вимірювальний перетворювач виготовляється по двопроводовій cхемі живлення, яка одночасно є лінією як живлення, так і отримання уніфікованого вихідного сигналу 4-20 мА про значення тиску в об’єкті. Специфічні параметри налаштування сенсора та параметри налаштування мікропроцесорного контролера, зберігаються в двох енергонезалежних ППЗП 6. Перший ППЗП з’єднаний з сенсором, другий – з платою електроніки. Таке розділення пам’яті

дозволяє незалежну заміну сенсора та плати електроніки.

Налаштування перетворювача  DS ІІІ можливе за допомогою  клавіш 8 за

місцем або за допомогою НАRТ - модему 7, що дозволяє виконувати конфігурування приладу через протокол  НАRТ  - специфікації.

                                                                         Основні складові перетворювача:                                                                       

                                                                1. Датчик (сенсор)

                                                                2. Підсилювач (міст Уітстона)

                                                                     3. Аналого-цифровий перетворювач

                                                                

                                                                  —+U(= 12…30 В); І = 4…20 мА

                                                             —-  (двопровідна схема живлення)

                                                                      4. Мікропроцесорний контролер

                                                                     5. Цифро-аналоговий перетворювач

                                                                      6. Енергонезалежна пам'ять ( одна –    

  1.                                                                     для налаштування мікропроцесора

                                                                  друга - для сенсора)

                                                                  7.  НАRТ -інтерфейс            

                                                                  8. Клавіші налаштування DS III     

                                                                  9. Цифровий індикатор

                                                                       Рис.3. Структурна схема      

                                                              вимірювального перетворювача

                                                                          Sitrans P DS III

                                                                                                                                                      

 При конфігуруванні (налаштуванні) перетворювача за через  НАRТ – комунікацію, здійснюється проміжне під’єднання НАRТ  – модему 7 безпо-середньо до його лінії живлення в два проводи та конфігурування здійснюється за допомогою ноутбука або РС-комп’ютера.

    Необхідні для комунікації по НАRТпротоколу 5.х та 6.х сигнали накладуються на вихідний уніфікований струмовий сигнал за частотно-комунікаційним методом (метод FSK, Frequency Shift Keying).

Прилади серії DS III можуть додатково використовуватись для вимірювання                                       витрати по перепаду тиску на звужуючих пристроях, тому забезпечують розрахунок функції:  f = √ΔР, де ΔР - перепад тиску на звужуючому пристрої.

3.5.  Загальна методика вимірювання тиску

Вибір для використовування певного типу манометра залежить передусім від

значення вимірюваного тиску, потрібної точності та надійності вимірювань, а

тиск в середовищі не повинен перевищувати 3/4 верхньої межі вимірювань

манометру за постійного тиску, а у випадку змінного тиску — 2/3.

В якості пристроїв для відбирання тиску із середовища використовують

трубки діаметром 10-12 мм, які називають імпульсними. Імпульсні трубки бажано розміщувати на відносно рівних (горизонтальних або з невеликим нахилом) ділянках трубопроводу. У випадках вимірювання тиску газу або пари відбирання тиску здійснюється вище осі трубопроводу, а за вимірювання тиску рідин — нижче осі. Довжина імпульсних ліній для манометрів з одновитковою пружиною і сильфоном —  до 30 м. Кінець трубки в середовищі повинен бути вмонтований врівень з внутрішньою стінкою об’єкта, що обмежує вимірюване за тиском середовище. Для зменшення впливу пульсацій тиску, а також для захисту чутливої частини манометра від високих температур, перед манометром установлюють так звану сифонну трубку у вигляді літери U або кільцевої петлі (рис.4,а ). За тиску вище 10 МПа, а також за контролю тиску радіоактивного теплоносія, або вимірювального середовища з температурою

понад 70 °С, сифонна трубка заповнюється водою або самовільно конденсатом.

У випадках вимірювання тиску агресивних cepедовищ або таких, що швидко псуються чи кристалізуються, використовуються манометри у поєднанні з розділювальними мембранами або розділювальними посудинами.

На рис.4,б  зображена схема встановлення манометра у комплекті з мембранним роздільником. Із об’єкта вимірювань агресивне середовище проходить, як правило, через штуцер, запірний голчастий вентиль і по імпульсній трубці подається під, наприклад, металеву мембрану, нижня частина якої в цьому випадку, як і стінки камери корпусу, покриті фторопластом. Простір, над мембраною і чутливий елемент манометра, заповнюється крем-нійорганічною рідиною. Мембранні роздільники вносять додаткову похибку, яка не перевищує ± 1% від діапазону вимірювань.

У випадку використовування розділювальної посудини, остання заповнюється інертною рідиною, яка не повинна хімічно взаємодіяти з вимірюваним середовищем або змішуватись з ним, але бути нейтральною до матеріалу імпульсних трубок, розділювальних пристроїв та манометрів.

 

Рис.4. Розділювальні пристрої: а) U –подібна сифонна трубка                              б) – мембранний роздільник; в) розділювальна посудина.

Зображену на рис. 4,в розділювальну посудину використовують тоді, коли       

розділювальна рідина важча за вимірювану. В інших випадках розділювальну

посудину використовують без внутрішніх трубок. Залежно від властивостей

вимірюваного середовища та умов експлуатації, в якості розділювальних рідин

використовують: воду, технічні мастила, гліцерин та його водні розчини, гас, етиленгліколь тощо.

Для забезпечення можливості відключення манометра, продування лінії та підключення контрольного манометра, в усіх випадках (рис.3) робочий манометр   під’єднують через триходовий вентиль (на рисунках не показаний).

Властивості ланцюгу передачі тиску.

    Температурна похибка залежить від жорсткості розділювальних мембран та впливу передаючої зусилля рідини наповнення. Жорсткість розділювальної мембрани має вирішальне значення. Чим більше її діаметр, тим менше її жорсткість. На невеликі діапазони перепаду тиску, необхідно вибирати датчики з якомога більшими розділювальними мембранами.

    Будь-яка рідина наповнення розширюється або стискується за зміни температури і вносить теж додаткову похибку в результат вимірювань. Цю похибку можна мінімізувати вибором датчика з рідиною наповнення, що відповідає межам температурних обмежень та значенням робочого тиску.

    Швидкодія такого ланцюга залежить від довжини імпульсної трубки та в’язкості рідини наповнення.

4. Методика виконання роботи.

Перевірення перетворювача DS ІІІ відбувається шляхом порівняння отриманої різниці тисків, що подаються на його входи «+» та «-» та вимірюються відповідними зразковими манометрами,  з даними,  які отримуються по показам цифрового дисплею DS ІІІ.

                             

5. Порядок виконання перевірення.

    5.1. Ввімкнути тумблер “Живлення ~220В”  на стенді манометрів та подати

живлення на вимірювальний перетворювач Sitrans DS III. Подати на стенд стиснуте повітря живлення 140 кПа та ввімкнути пневматичні клапани   «+» та «-»  Sitrans DS III на пневматичних лініях подачі  більшого та меншого тисків.

5.2. Використовуючи регулятори більшого тиску «+» та меншого тиску «-»,   зняти пряму та зворотну гілки перетворення перетворювача  Sitrans DS III, регулюючи вентиль  меншого тиску «-» (результати заносити в табл. №1).

5.2.1. Використовуючи регулятор більшого тиску «+»,  виставити покази  зразкового манометра більшого тиску «+» на значенні 100 кПа.

5.2.2. Використовуючи регулятор меншого тиску «-»,  виставити покази  

зразкового манометра меншого тиску на значенні 0 кПа. Розрахувати зразкову різницю тисків та записати покази DS III у відповідний рядок початку зворотної () гілки ХП табл.1.   

5.2.3. Зняти  всю зворотну  () гілку ХП перетворювача Sitrans DS III.  Для цього зменшувати різницю тисків на його входах, збільшуючи тиск на вході «-». Перевірення  провести в діапазоні зміни різниці тисків від +100 кПа  до 0 з

кроком в 10 кПа. В таблицю №1 у відповідний стовпчик занести також різницю

тисків на зразкових манометрах.

5.2.4.  Зняти пряму() гілку характеристики перетворення перетворювача

Sitrans  Р  DS III.  Для цього збільшувати різницю тисків на його входах (на  вході «-» зменшувати тиск від 100 кПа до 0  кПа з кроком 10 кПа). Результати вимірювань та значення зразкової різниці тисків занести в таблицю №1 у відповідний стовпчик.

5.3. Використовуючи регулятори більшого тиску «+» та меншого тиску «-»,

зняти пряму та зворотну гілки перетворення перетворювача  SitransDS III,

використовуючи регулятор більшого тиску «+». Результати занести у табл. 2.

5.3.1. Використовуючи регулятор меншого тиску «-»,  виставити покази  

зразкового манометра меншого тиску «-» на значенні 100 кПа.

                                                                                            Таблиця 1

Манометр „+” , кПа

Ва-ріа-

ція,

кПа

Покази приладу Sitrans Р DS III

Покази приладу Sitrans  Р  DS III

Абсолют-на, кПа

         

Приве-дена, %

           

Відносна, %

         

Похибки

   0

  10

 

  20

  30

  40

  50

  60

  70

  80

  90

100

                                                                                            Таблиця 2

Манометр „-” , кПа

Ва-ріа-ція,

кПа

Покази приладу Sitrans Р DS III

Покази приладу Sitrans  Р  DS III

Абсолют-на, кПа

         

Приве-дена, %

          

Відносна, %

       

Похибки

   0

  10

 

  20

  30

  40

  50

  60

  70

  80

  90

 100

5.3.2. Використовуючи регулятор більшого тиску «+»,  виставити покази  зразкового манометра більшого тиску на значенні 0 кПа. Розрахувати зразкову різницю тисків та записати покази DS III у відповідний рядок початку прямої

() гілки ХП табл.2.

5.3.3. Зняти зворотну () гілку характеристики перетворення перетворювача Sitrans  Р  DS III.  Для цього зменшувати різницю тисків на його входах, збільшуючи тиск на вході «+». Повірку провести в діапазоні зміни різниці тисків від -100 кПа  до 0 кПа з кроком в 10 кПа. В таблицю №2 у відповідний

стовпчик занести також різницю тисків на зразкових манометрах.  

5.3.4. Зняти  пряму ()  гілку  характеристику перетворення

перетворювача Sitrans  Р  DS III. Для цього збільшувати різницю тисків на

його входах, зменшуючи тиск на вході «+». Повірку провести в діапазоні

зміни різниці тисків від 0 кПа до -100 кПа  з кроком в 10 кПа.

6. Обробка результатів вимірювань

     6.1. Прямокутники записів результатів розрахунків похибок  в табл. 1 та табл. 2 розбити на дві частини, провівши діагональ від правого верхнього кута до нижнього лівого. Результати розрахунків похибок прямої гілки ХП, де стоїть мітка «», записувати у верхніх частинах прямокутників, а для зворотного ходу  – у нижній (мітка«»). По отриманим даним визначити варіацію,абсолютну, відносну та приведену похибки дифманометра по діапазону вимірювання для обох випадків.

     6.2.Побудувати графіки: а) реальної статичної характеристики перетворен-ня;  б) залежності відносних та приведених похибок по діапазону  вимірювання.

     6.3. Зробити висновки по роботі.

                                            Контрольні питання.

    1. Що таке дифманометр?

    2. В чому полягає принцип дії диференціальних рідинних манометрів?   

    3. Які знаєте типи рідинних манометрів?

  1.  Виведіть рівняння рідинного U-подібного манометра.
  2.  Що таке манометр опору та де використовується?
  3.  Що являє собою ПВП приладу Sitrans P DS III?
  4.  Поясніть структурну схему приладу Sitrans P DS III.

ЛАБОРАТОРНА  РОБОТА  № 4 - TTF2

ТЕРМОМЕТРИ ОПОРУ.  ПЕРЕТВОРЮВАЧ “ SITRANS TF2 ”  

                                                1.  Мета роботи

    1.1. Вивчити принцип роботи та будову компактного вимірювального перетворювача Sitrans TF2 з  термометром опору Pt 100 та з цифровою індикацією і уніфікованим вихідним сигналом фірми “Siemens”.

    1.2. Засвоїти методику повірки вказаних приладів, визначити їх основні метрологічні характеристики.

                                      2. Завдання на виконання роботи

    2.1. Познайомитись з лабораторним стендом.

    2.2.  Вивчити загальну теорію термоперетворювачів опору, їх види.

    2.3. Вивчити конструкцію та структурну  схему вимірювального

перетворювача TF2 фірми “Siemens” з термометром опору Pt100.       

    2.4. Зняти реальні статичні характеристики перетворення Sitrans TF2 по

його цифровому виходу та по двопроводовій схемі передачі вимірювальної

інформації з уніфікованим вихідним сигналом по стуму.

    2.5. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну,

відносну та приведену похибки та побудувати графіки: а) реальної статичної ХП перетворювачів; б) залежності відносних та приведених похибок по діапазону вимірювання.

3.Загальні теоретичні відомості

              3.1. Загальні теоретичні відомості про термометри опору

Вимірювання температури термометрами опору відноситься до контактних методів і грунтується на властивості провідників (металів) та напівпровідників змінювати свій електричний опір R в залежності від зміни їхньої температури (t). Резистори, які виготовлені із металу або напівпровідників (термістори) і які змінюють свій опір в залежності від їхньої температури називаються терморезисторами. В якості перетворювачів температури може використовуватись будь-який терморезистор або термістор, але в якості засобів вимірювання температури, тобто, засобів з нормованими метрологічними характеристиками (НМХ), використовують термометри опору (ТО).  Термометрами опору називають терморезистори з НМХ.

    Властивість терморезисторів змінювати свій опір від температури характеризується температурним коефіцієнтом опору (ТКО), який визначається як відношення приросту опору dR терморезистора до приросту температури, що привела до цієї зміни при нагрівання, та до опору провідника R.  В загальному вигляді ТКО при малих  приростах температури dt визначається залежністю:

                                    = (dR / dt)ּ(1/ R)                              (1)

Для провідників (металів) - ТКО додатний і їхній опір зростає з

зростанням температури, а перетворювачі, які виготовлені із металевого дроту називають (в загальному) терморезисторами.  У напівпровідників навпаки – ТКО від’ємний і їхній опір електричному струму падає із ростом температури, а перетворювачі, що виготовлені із напівпровідникових матеріалів, називають термісторами.

В більшості провідникових і напівпровідникових тіл залежність активного опору R від температури можна узагальнити формулою:

                                                 R = C ּ ekT,                               (2)

    де С та k – коефіцієнти, значення яких залежить від матеріалу, з якого

виготовлений терморезистор; крім цього, С залежить від геометричних розмірів терморезистора, а коефіцієнт k для напівпровідників - залежить і від темпе-

ратури; е – основа натуральних логарифмів; Т – абсолютна температура, К.

На практиці, як правило, температуру вимірюють за шкалою  Цельсія t(°C) і, використовуючи співвідношення: T(К)= t(°C) + 273.15, приведена залежність (2) активного опору від температури t(°C)   приймає вигляд:

                          R = C ּ ek(273.15 + t) = C ּ e273.15k ּ ekt.          (3)

Значення виразу:  C ּ e273.15k = R0приймається за початковий опір тіла при 

температурі  0С  і відповідно:                  R = R0ּ ekt.            (4)

Так як для провідникових термометрів коефіцієнт k не залежить від

температури, то формулу (4) можна переписати в іншому вигляді, розклавши її

в ряд Маклорена в залежності від температури:

                 R = R0ּ ekt = f(0) +  f(0)  +  f(0)  +  f(0) +…=

      = R0(1+ t + t + t+…) = R0 (1+ ּt + ּt2 + γּt+…),    (5)

де f(0) та  f(0), f(0), f(0),... – значення функції (3) в нулі та частинні похідні.

    ТО виготовляють із чистих металів (міді, платини, нікелю, вольфраму або заліза) і вони відповідають наступним вимогам:  мають монотонну без гістерезису характеристику перетворення R = f(t);  мають високий питомий електричний опір, а метал ТО не вступає до взаємодії з вимірюваним середовищем;   мають достатньо великий і незмінний в часі ТКО α, який прийнято визначати для ТО в інтервалі температур від 0 до 100 °C по залежності: α=(R100-R0)/(R0*100), де R0 та R100 - опір ТО при 0°C та при 100 °C відповідно, Ом. Для більшості чистих металів 4*10 (1/С).

Найбільше поширені провідникові ТО, які виготовляють із чистих мідного дроту (використовуються для вимірювання температури від –50 до +180С)

або із платинового – для температур від -260 до +650С.

    ТО являє собою дріт певної довжини і  діаметром 0,07мм, який намоту-ється на стержень із ізоляційного матеріалу (наприклад, слюди) безіндук-тивним методом, тобто, біфілярно (в два проводи, одночасна подвійно-зуст-річна намотка) і який є чутливим елементом. Чутливий елемент ТО розмі-щують (рис.1) в корпус (кожух) із нержавіючої сталі, який має різьбове з’єднан-ня для його кріплення до металевих стінок технологічного обладнання та голов-ку, в якій розміщують клеми під’єднання зовнішніх проводів. Для вимірювання температури в системах вентиляції і в приміщеннях, виготовляють спеціальні ТО, кожух яких перфорується, для швидкого доступу повітря до ТО. 

Залежність опору R=f(t) ТО від температури називається характеристикою градуювання.  Для мідних ТО ця залежність має вигляд із двох членів формули (4):                                          

                   Rм = R ּ (1+t),                  (6),   де  = 4,26ּ10-3 1/С.  

    Для платинових ТО залежність опору від температури визначається трьома

членами формули (4) для температур 0С:

                  Rn = R0n ּ (1+ּt+ּt2),                    (7)

де = +3,968ּ10-3 1/С;   = -5,847ּ10-7 1/С. 

При вимірюванні температур < 0С – характеристика градуювання ТСП описується виразом із 4-х членів формули (4).

    ТО мають при виготовленні нормоване (стандартизоване) значення R0 при

0С і зображуються як ТСМ для мідного дроту та ТСП – для платинового.

 ТО із міді виготовляються із нормованим значенням опору R на 10, 50, та

100 Ом і їм присвоєні умовні позначення: 10М, 50М, 100М. Платинові ТО теж

мають нормовані значення R0n при температурі 0С і, по аналогії з мідними, в залежності від R0n мають позначення: , , 10П, 50П, 100П, 500П.

    Всі типи ТО виготовляються як взаємозамінні і для цього їхні типи, основні

параметри та розміри регламентуються відповідним стандартом. Основними параметрами для забезпечення взаємозамінності ТО є допуски на відхилення їхнього опору при температурі 0С (R0) від номінального значення, що

відповідає приведеним вище значенням для кожного ряду, та допуски на

коефіцієнт W100, який визначається відношенням: R100/R0, тобто, відношенням опору ТО при температурі 100С до його опору при 0С і який залежить від чистоти дроту, із якого виготовлений ТО.  Наприклад, для      ТСМ 50 коефіцієнт W100 = 1,426; а для  ТСП 50  –  W100 = 1.391.  

Платинові ТО випускаються першого класу (використовуються як зразкові і еталонні, наприклад, допустиме відхилення опору R0n такого ТО від номінального значення не повинно перевищувати 0,05%, а відношення опорів R100/R0 повинно дорівнювати 1,3910,0007) та другого класу (використовуються як технічні), а мідні випускаються тільки 2-го та 3-го класів і використовуються як технічні термометри з абсолютними похибками

від 0.3... 0.5С до 1...2 С.

В якості вимірювальних приладів, які використовуються у комплекті з ТО,

використовуються врівноважені і неврівноважені мости, логометри та

сучасні вимірювальні перетворювачі з уніфікованим вихідним сигналом.

Луцьке НВО "Електротермометрія" випускає мідні термометри серії ТСМ (50М), платинові - серії ТСП (50П) різних модифікацій на різні межі вимірювань та різних конструктивних особливостей. Виготовляються мідні та платинові термометри типів ТСМУ-0288(0289) та ТСПУ-0288(0289) з нормувальними перетворювачами з вихідним уніфікованим сигналом по струму 4...20 мА, а також мідні та платинові типів ТСМУ-0388 і ТСПУ0388 з гальванічною розв’язкою між джерелом живлення та виходом і мають десятирозрядний послідовний інтерфейсний вихід. ТО поставляються з комплектом монтажних частин під трубний та кабельний монтажі. Діаметр захисної гільзи всіх ТО може становити 8 і 10 мм.

НВФ «АГАТ-1» (м. Харків) випускає ТО серії ДТ1 КВАНТ із уніфікованими вихідними сигналами, які випускаються у звичайному чи вибухозахищеному, пило- і водо захищеному та вібростійкому виконаннях і які використовуються також на об’єктах ядерної енергетики. Довжина заг-либної в об’єкт частини ТО може становити: 80; 100; 120; 160; 200; 250; 320; 400; 500 і більше мм (обумовлюється замовленням). У разі потреби вітчизняні ТО теж можуть виготовлятись з цифровою індикацією (позначення - ДТЦ1) за місцем (по аналогії з TF2) або з виносним блоком цифрової індикації.

Межі основної допустимої похибки ТО можуть становити 0,25; 0,4; 0,5; 0,6 або 1%. Середнє напрацювання ТО на відмову – до 150 000год. Кліматичне виконання (по замовленню) дозволяє застосовувати їх за умови

зміни температури навколишнього середовища в межах від -40С до +125С.

3.2. Теоретичні  відомості про перетворювач Sitrans TF2

   Конфігуруємий Sitrans TF2 (рис. 2 та 3)  - це компактний вимірювальний

перетворювач температури з цифровим дисплеєм та термометром опору Pt100. Призначення приладу - індикація та контроль температури, що вимірюється на технологічній лінії за місцем, а  також дистанційна передача сигналу вимірювальної інформації на відстань.

    Вимірювальний перетворювач температури Sitrans TF2 (рис.2) об’єднує три компоненти в одному приладі: термометр опору Pt100 в захисній трубці із нержавіючої сталі; корпус із нержавіючої сталі з високим класом захисту; вбудований та конфігуруємий за допомогою трьох клавіш мікропроцесорний вимірювальний перетворювач з рідинно-кришталевим дисплеєм (РКД). Випускаються осьова та радіальна конструкції TF2.

    Сфера використовування Sitrans TF2 – це  технологічні процеси в таких галузях як: хімічна промисловість; енергетика;    централізоване теплопостачання; водопостачання; очищення  стічної води; харчова промисловість; металургія; виробництво цементу; формакологія; біотехнологія.                   Переваги приладу:

висока точність вимірювання та  індикація з дозволяючою властивістю      1/100 °C в усьому діапазоні вимірювання; конфігуруємі діпазони вимірюван-ня в межах від -50 до +200°C; сигнализація ( +/-) про перевищення заданого межового значення температури на РКД, а також за допомогою червоного світло діоду (рис.3).

                                                

                     Рис.1                 Рис. 2                                                   Рис. 3

    

    Конструкція:

    Корпус Sitrans TF2 (рис.2) виготовлений із інструментальної сталі (Ø 80 мм) та оснащений захисним склом. В захисну трубу із інструментальної сталі з різьбовим з’єднанням вмонтований температурний датчик Pt100. За рахунок використовування інструментальної сталі при виготовлені захисних труб досягається висока хімічна стійкість, яка визначає високу степінь захисту температурного датчика від впливу вимірюваного за температурою середовища. У стандартному виконанні довжина захисної труби складає 170 мм або 260 мм. На зворотній стороні корпуса разташовані клеми для підключення

живлення за рахунок струмового ланцюга (петлі) 4...20 мA. Підключення

здійснюється через   рознім в відповідності  з EN 175301-803A.

На передній стороні корпуса знаходиться п’ятирозрядний дисплей під скляною кришкою. Під дисплеєм разташовані три клавіші конфігурування  SITRANS TF2. Над дисплеєм розташовані один зелений та один червоний світлодіоди для індикації стану приладу.                                        

    Принцип роботи:

    Вимірювальний перетворювач TF2 (рис.4) можна разділити на наступні функціональні блоки і окремі функції:

    Вхід:    • RTD – термометр опору Pt100;           – стабілізоване джерело струму;        A/D – аналого-цифровий перетворювач. 

    Мікроконтролер:  • EEPROM – перепрограмуємий запам’ятовуючий пристрій для всіх параметрів;

• μС – функції обчислення та контролю мікроконтролера.

                                

                                                       Рис.4   

     

  Вихід:  D/A – цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП);

    •  U/I – перетворювач напруги в струм, який живиться від  стабілізованого

джерела каліброваної напруги  Uк  та перетворює напругу  ЦАП в

уніфікований вихідний сигнал по струму (4…20 мА);

    •  EMV – вихідний каскад з захисними компонентами, який об’єднує струм живлення з уніфікованим вихідним сигналом по струму;

     UН –джерело живлення постійного стуму в межах +12 В - +36В;

    • IА – уніфікований вихідний сигнал по струму (він же струм споживання).

  Керування та індикації:

3 клавіші – конфігурування параметрів перетворювача;

• LCD – індикація вимірюваних величин з одиницями вимірювання (РКД);

Зелений світлодіод – індикація нормального режиму роботи;

Червоний світлодіод – індикація повідомлень про помилки та при виході параметру за встановлені межі.

     Первинний вимірювальний перетворювач RTD (Pt100) (рис.4), що

знаходиться в об’єкті, отримує живлення від стабілізованого джерела струму ІК.  Спад напруги на датчику відповідає вимірюваній температурі. Аналого-цифровий перетворювач (A/D) перетворює спад напруги у цифровий сигнал. В мікроконтролері (μС) відбувається лінеаризація сигналу у цифровій формі і відтворюється у цій формі у відповідності з необхідними даними (наприклад, вибраною одиницею вимірювання або необхідному діапазону), що запрограмовані заздалегідь та зберігаються в енергонезалежній постійній пам’яті  EEPROM, яка дозволяє перепрограмування.

     Основною перевагою перетворювача  Sitrans TF2 є схема живлення в два проводи, в якій виконано об’єднання ланцюга живлення перетворювача з одночасним передаванням по ньому сигналу вимірювальної інформації - вихідного уніфікованого аналогового  сигналу по струму в межах 4…20 мА, який відповідає значенню вимірюваної температури. Тобто, при налаштованому початковому значенні вимірюваної температури, схема перетворювача споживає струм  4 мА напругою постійного струмі в межах 12…30В. В кінці діапазону – перетворювач споживає струм 20 мА при тих же

межах напруги живлення.

    Для передавання інформації про значення вимірюваної температури немає необхідності в додаткових лініях зв’язку. Для отримання цієї інформації достатньо в ланцюг підведення живлення в два проводи, ввімкнути опір навантаження величиною R500 Ом (рис.5) та отримати на ньому, на необхідній відстані від місця вимірювання, спад напруги, який маже бути використаний, наприклад, для перетворення в аналого-цифровому перетворювачі (АЦП) мікропроцесорного контролера системи керування технологічним процесом.

                              

          Рис.5. Схема підключення TF2 до двопроводової лінії живлення.

                                          Технічні характеристики TF2:

Вхід: вимірювана величина – температура в діапазоні від -50…+200°C.

Вихід: уніфікований  сигнал 4…20 мА по дротам живлення.

Нижня (мінімум) - 3,6 мА та верхня межа стуму (максимум) - 23 мА.

Вихід захищений:  від от невірного під’єднання джерела живлення за полярністю,  від перевищення напруги живлення та від короткого замикання.

Максимальний опір навантаження: U - 12V / 0,023A.

Характеристика перетворення – прямо пропорційна вимірюваній температурі.

                             Нормовані метрологічні характеристики:

Абсолютна похибка при температурі навколишнього середовища в межах

(23±5) °C складає:  <  ±(0,45°C + 0,2% від верхньої межі налаштованого

діапазону вимірювань).

  Час одного циклу вимірювання ≤100 мс.

  Додаткова похибка від зміни температури навколишнього середовища:  < ± 0,15% від верхньої межі налаштованого діапазону вимірювань на кожні 10°C.

 Додаткова похибка від впливу вібрацій в усіх напрямках:<±0,05%/g до 500Гц

 Додаткова похибка від впливу нестабільності джерела живлення на кожний

вольт зміни напруги: <±0,01% від верхньої межі налаштованого діапазону

вимірювань.

                                Умови використовування:

 Температура навколишнього середовища, в межах:  -25...+85°C.

 Рекомендований діапазон температур, в межах: -10…+70°C.

4. Завдання та методика виконання роботи.

    Завданням на роботу є дослідження статичних характеристик перетворення вимірювального перетворювача Sitrans  TF2 по каналам цифрової індикації та передачі уніфікованого сигналу, а також зміни опору ТО ТСМ 100 в залежності від температури.

    Дослідження виконуються порівнянням: по-перше, показань температури

цифрового індикатора перетворювача Sitrans  TF2, які використовуються як зразкові (первинний вимірювальний перетворювач  Pt100 TF2 розташований за місцем у термостаті, температуру якого можна змінювати), з показами вторинного приладу ТРМ 200, який розташований на щиті і цифровий сигнал якого пропорційний уніфікованому сигналу по струму, що надходить від перетворювача Sitrans TF2, та по-друге, порівнянням показів цифрового  омметра, який безпосередньо вимірює опір ТО ТСМ 100, що теж розташований в термостаті, з дійсними значеннями опору ТСМ 100, що розраховані для тих же значень температури за формулою (5).

                                

5. Порядок виконання роботи.

     5.1. Подати електричне живлення на стенд тумблером “Живлення ~220В”.                       

5.2. Подати електричне живлення на Sitrans TF2 тумблером “ +24 В”.                                                   

5.3.  Подати електричне живлення на ТРМ 200 тумблером “ТРМ 200”.

5.4. Прогріти прилади терміном до 5 хвилин та записати у табл.1 (у верхній рядок і відповідну колонку прямого ходу) покази температури перетворювача Sitrans TF2, вторинного приладу ТРМ 200 та значення опору ТСМ 100, які відповідають початковій температурі в термостаті.                        

5.5. Подати електричне живлення (~220В) за допомогою тумблера «Термостат» на розігрів води в термостаті, температура якої буде вимірюватись ПВП Pt100 та ПВП ТСМ 100,  та ввімкнути одночасно змішувач води відповідним тумблером на стенді. Змішувач забезпечує рівномірність

розігріву води в термостаті (об’єкті).

5.6. Зняти пряму (▼) та зворотну () гілки статичної характеристики перетворення  (ХП) інформаційно-вимірювальних каналів (ІВК):

- ТО Pt100 - перетворювач Sitrans ТН/ТК - ТРМ 200;

    -ТО ТСМ 100 - цифровий омметр.

5.7. В момент, коли значення температури на цифровому дисплеї зразкового термометра Sitrans TF2 будуть відповідати початковим поділкам (15, 20, 25 чи 30°C з дискретністю 5°C по табл.1), одночасно знімати покази з цифрових індикаторів по двом ІВК: мікропроцесорного вторинного  приладу ТРМ 200 та омметра.  Дані прямих гілок статичних ХП обох каналів заносити до  табл. 1 протоколу повірки для ТРМ 200  та  табл.2 для цифрового омметра у рядки, що відповідають табличним значенням температури  зразкового термометра TF2  та у колонки прямого ходу (▼). Для омметра в табл.2 залишати місце для запису коригованих значень.  

                                                                                           Таблиця 1

Дійсні  значення,

°C по TF2

Покази приладу

ТРМ 200,

°C, 

Покази приладу

ТРМ 200 

°C, 

Абсолютна, °C 

          

Приведена, %

           

Відносна, %

          

Варіа-ція,

°C

 

Похибки

  15

 

  20

  25

  30

  35

  40

  45

  50

  55

  60

  65

                                                                                             Таблиця 2

Дійсні  значення,°C по TF2

Розрахо-вані значення, Ом  для ТСМ 100

 

Покази приладу омметр,

Ом,

Покази приладу омметр,

Ом, 

Абсолют-на, °C 

      

Приведе-на, %

     

Відносна, %

   

Варіа-ція,

°C

Похибки

  15

 

  20

  25

  30

  35

  40

  45

  50

  55

  60

  65

5.8. Після досягнення максимального значення температури (+65°C),

повторити дії наведені в п.5.7, знижуючи температуру води у термостаті, тобто, зняти зворотну гілку ХП обох ІВК. Для цього вимкнути тумблер «Термостат», та ввімкнути тумблери «Вентилятор» та «Насос». В цьому режимі вмикається насос, який одночасно із змішуванням прокачує нагріту воду термостату через радіатор охолодження. Отримані дані, що відповідають зворотнім гілкам ХП обох каналів, занести в таблиці 1 та 2 протоколів у графу зворотного ходу().

5.9. Виключити живлення стенду.                         

                    6. Порядок обробки результатів вимірювань

    6.1. Для визначення похибок ТО ТСМ 100 розрахувати його характеристику градуювання для діапазону проведених вимірювань, використовуючи формулу (6). Розраховані значення занести у відповідну колонку табл.2 і використовувати їх як дійсне значення вимірюваного опору. При розрахунках похибок ТО ТСМ100  усунути, введенням відповідної поправки, систематичну складову похибки, яка пов’язана з впливом опору дротів, що з’єднують ТСМ 100 та омметр. Значення опору дротів з’єднання вирахувати із значень показів омметра, та отримати кориговані значення, які записувати в тій же комірці, але нижче.  Активний опір R дроту визначати для температури 20°C за формулою:                 

                                     R [Ом] = ρ1ּ(l /S),     (7)

де ρ -  питомий електричний опір дроту з’єднання, [(Ом*мм2)/м],

для міді ρ = 1,75ּ10-2 при температурі 20°C);

l - довжина дроту, м (довжина лінії з’єднання дорівнює 4,2 м);

S - площина поперечного перерізу дроту, мм2 (площина поперечного перерізу дротів з’єднання дорівнює 1,25 мм2).

    6.2. Прямокутники записів розрахунків похибок   в таблицях 1 та 2 розбити на дві частини, провівши діагональ від правого верхнього кута до нижнього лівого. Результати розрахунків для прямого ходу по характеристиці перетворення записувати у верхній частині прямокутника, де стоїть мітка «», а для зворотного ходу – у нижній (мітка«»). По отриманим даним визначити варіацію, абсолютну, відносну та приведену похибки по діапазону вимірювання по каналу передачі уніфікованого аналогового сигналу на щит для ІВК з перетворювачем ТРМ 200 та по каналу омметра (значення похибок записувати у відповідні комірки таблиць 1 та 2. Для визначення абсолютної похибки ТО ТСМ100 використовувати кориговані значення опору.

    6.3.Побудувати графіки: а) реальної статичної характеристики перетворення для обох приладів; б) залежності відносних та приведених похибок по отриманому діапазону вимірювання.                                                                                    

6.4.   Зробити висновки по роботі.

Контрольні запитання

    1. Що таке терморезистор, термістор, термометр опору (ТО)?

    2. Які є види ТО та в якому діапазоні температур вони використовуються?

    3. Приведіть характеристики перетворення платинових та мідних ТО.

    4. Чому дорівнює в загальному опір провідника та напівпровідника?

     5. Виконайте перетворення загального опору провідника у ряд Маклорена.

      6. Який вигляд має характеристика перетворення напівпровідникових ТО  та

          де вони використовуються?

     7. Наведіть структурну схему перетворювача Sitrans TF2.

ЛАБОРАТОРНА  РОБОТА  № 5 - T – ТО 2/3

ДОСЛІДЖЕННЯ ПІДКЛЮЧЕННЯ ТЕРМОМЕТРІВ ОПОРУ ДО ВТОРИННИХ ПРИЛАДІВ ЗА СХЕМАМИ В ДВА ТА ТРИ ПРОВОДИ    

                                            

1.  Мета роботи

1.1. Вивчення загальної теорії мостових схем та нормувальних перетворювачів.

1.2. Визначення  впливу зміни температури навколишнього середовища на

лінію підключення термометра опору до вимірювального перетворювача з

мостовою схемою за схемами в два та три проводи.                             

                                   

                                      2. Завдання на виконання роботи

2.1.  Познайомитись з лабораторним стендом.

2.2. Вивчити загальну теорію мостових схем, як найбільш поширених для

початкового підсилення вихідних сигналів параметричних та генераторних ПВП, а також принципи побудови нормувальних перетворювачів.

2.3. Вивчити призначення та структурну схему двоканального вимірювача

ТРМ 200 з універсальними входами фірми «ОВЕН».

2.4. Зняти реальні статичні характеристики перетворення комплекту термометри опору ТСМ 50 та двоканального вимірювача з універсальними входами ТРМ 200, які під'єднані до останнього за схемами в два та три проводи, при різних температурах ліній підключення.    

2.5. По статичним характеристикам перетворення визначити варіацію,

абсолютну, відносну та приведену похибки обох схем з'єднання та побудувати графіки: а) реальних статичних характеристик перетворення; б) залежності відносних та приведених похибок по отриманому діапазону вимірювання.  

                               

3.Загальні теоретичні відомості

                            3.1. Загальна теорія мостових схем

Всі первинні вимірювальні перетворювачі (ПВП), які використовуються для

вимірювання загально-технічних параметрів (температура, тиск, витрати, рівень тощо) технологічних процесів, можна умовно розділити на дві групи:

    активні (генераторні), які перетворюють вимірюваний параметр у напругу, електрорушійну силу, або струм, та

   ■   пасивні (параметричні), які перетворюють параметр в опір, індуктивність та ємність.

Найбільш універсальним для вимірювання сигналів ПВП в обох випадках є:

 використовування зрівноважених та незрівноважених  мостових схем  для перетворення вимірювальної інформації пасивних ПВП (принцип роботи грунтується на вимірюванні зміни опору ПВП методом зрівноваженого або незрівноваженого моста);  та
 використовування незрівноважених  мостових схем - як компенсаційних

для перетворення вимірювальної інформації генераторних ПВП.

    На рис. 1,а приведена схема одинарного чотириплечного лабораторного

зрівноваженого моста Уітстона, який працює у комплекті з термометром опо-

ру (ТО).  Мостова схема – це чотири з’єднаних між собою опори R1, R2, R3 та

 Rt, що утворюють квадрат. Суть роботи такої схеми полягає в тому, що вона дозволяє визначити один невідомий опір Rt ТО за допомогою трьох відомих R1, R2 та R3.  Невідомий опір Rt може бути ввімненим (рис. 1,в) у будь-яку із сторін квадрату (вони називаються плечами моста). До інших термінів мостової схеми відносяться: вершини моста (a,b,c,d),верхня (a,b,c) та нижня (a,d,c) вітки моста

та діагоналі живлення і вимірювальна з відповідними напругами Uас та Ubd.

         в)

       Рис. 1. Вимірювальна схема одинарного моста Уітстона.

    Розрізняють мости постійного та змінного струмів. До мостів постійного струму відносяться схеми мостів, в плечах яких знаходяться тільки активні опори і які живляться напругою постійного струму. До них умовно відносять і мости, які живляться змінним струмом, але при умові наявності тільки активних опорів у їхніх плечах. До мостів змінного струму відносяться схеми мостів, в плечах яких знаходяться реактивні опори і які живляться напругою

змінного струму.  

У зрівноважених лабораторних та автоматичних мостах напруга у вимірювальній діагоналі повинна дорівнювати нулю у момент видачі інформації про значення невідомого опору, тобто, Ubd = 0 – це основна умова балансу (рівноваги) моста. Напруга у вимірювальній діагоналі моста при його зрівноважуванні буває в межах декількох мВ. Тому в якості приладів, їх називають нуль-приладами (НП), що фіксують момент, коли Ubd = 0, використовують прилади із високою чутливістю. В мостових лабораторних схемах постійного струму в якості НП використовують гальванометри магнітоелектричної системи, міліамперметри (рис.1,в) або спеціальні електронні підсилювачі в автоматичних мостах. Відмінності лабораторних мостів змінного струму в тому, що на низьких частотах живлення (50 Гц) в якості НП використовують вібраційні гальванометри, а на підвищених частотах - телефони. Живлення останніх здійснюється від електронних генераторів, а як покажчики рівноваги в мостах використовуються спеціальні електронні прилади.       

 Виведемо залежність напруги у вимірювальній діагоналі (рис. 1,а) від

значень напруги живлення Uас та опорів плечей моста при умові, що опір НП 

(нуль-приладу), який ввімкнений у вимірювальну діагональ дуже великий (сотні кОм) і ним можна нехтувати (або перемикач розімкнений). В цьому випадку I1 = I2 у верхній вітці моста, а I3 = I4 - у нижній, і можемо визначити напругу у вимірювальній діагоналі як різницю потенціалів між точками b та d,

яка в свою чергу залежить від спадів напруг на резисторах R1 та R3:

              Ubd = Ub - Ud  = Uас {R1/(R1 + R2) - R3/(R3 + Rt)}.          (1)

Після перетворення (їх виконати студенту самостійно!!!)  залежності (1),

отримуємо:   Ubd = Uас {(R1*Rt - R2*R3)/(R1+R2) (R3+Rt)}.              (2)

Умова рівноваги моста, тобто, Ubd =0, може бути досягнута, якщо чисельник

рівняння  (2) буде теж дорівнювати  нулю. Тому, як наслідок рівноваги:         

                                           R1*Rt = R2*R3.                                       (3)                  

Рівняння (3) можемо записати  у вигляді основного рівняння зрівноважування:

                                           Rt =  R2*(R3/R1).                               (4)

Для виконування зрівноважування в якості опору R2 використовують реохорд,

що є змінним опором, який має одночасно шкалу зміни свого опору (рис.1,а).

При умові R1 = R3 та досягненні, за рахунок зміни опору R2, умови рівноваги

моста Ubd = 0,  яка фіксується нуль-приладом, - невідомий опір Rt дорівнює R2.

Якщо реохорд ввімкнений в одне плече моста(рис. 1,а,б), то таку схему

зрівноважування називають схемою порівняння.  В більшості випадків

рівновагу автоматичних мостів забезпечують зміною відношення двох

суміжних плечей, між яким установлюють реохорд (рис. 2.)  Реохорд з опором

Rp установлений між опорами R1 та R2, а точкою c вимірювальної діагоналі  з напругою Ucd для даної схеми, є потенціал на повзунку реохорда.

    В лабораторних мостах (рис. 1,а,б) зрівноважування виконують, переміщуючи повзунок реохорда вручну, а в автоматичних  (рис. 2) – таке переміщення здійснюється за рахунок використовування реверсивного двигуна (РД) та спеціальної кінематичної схеми.

    В автоматичних мостах використовується також спеціальний електронний підсилювач ЕП, який здійснює вимірювання напруги Ucd у вимірювальній діагоналі і перетворює знак її зміни, у відповідності із рівнянням (2), на напругу змінного стуму у керуючій обмотці (ОК) РД, при чому  із зсувом фази між струмом та напругою живлення в ОК, яка дорівнює або нулю, або 180 в залежності від знаку відхилення Ucd від нуля.  ЕП генерує також напругу в обмотку (ОЗ) збудження РД,  підготовлюючи його до обертання. Обмотки ОЗ та ОК зсунуті в просторі на 90. Якщо міст зрівноважений, то напруга в ОК відсутня і РД не обертається. Зміна опору R виводить міст із рівноваги і на керуючій обмотці ОК з’являється   напруга з зсувом фази 0 або 180. Одночасно обидві напруги на обмотках ОЗ та ОК утворюють обертальне магнітне поле, яке приводить до обертання РД за або проти годинникової стрілки. Це приводить до переміщення повзунка реохорда (в одну або протилежну сторону) в положення, яке відповідає стану нової рівноваги моста. З повзунком реохорда зв'язана стрілка його шкали, положення якої на шкалі, як правило, завчасно проградуйованій у одиницях вимірюваного параметру (наприклад, температурі), відтворює не значення шуканого опору, а

безпосередньо значення вимірюваного параметру.

    По способу під’єднання ТО до мостів розрізняють схеми в два та в три

проводи.

    За схемою в два проводи (рис. 1,а) ТО з’єднується з мостом двома

проводами з опором  Rпр  (з одного та другого кінців Rt) і на результати вимірювань буде впливати як довжина  цих проводів, так і температура середовища, в якому вони проходять. Умова рівноваги моста в цьому випадку відповідає залежності:                   R1(Rt +2 Rпр) = R2*R3,

а шуканий опір                               Rt = (R2*R3/R1) - 2Rпр.

                   

Рис. 2. Схема автоматичного моста для вимірювання температури у разі

         під’єднання  ТО R до мосту за схемою у два проводи.

     

    Для забезпечення градуювання ТО за такою схемою (рис.1,а), необхідно щоб незалежно від довжини дротів з’єднання (опорів Rпр), забезпечувалась їхня постійність.  Для цього, додатково (рис. 2) до опорів дротів з’єднання з опорами Rл, у ланцюг кола вводять зрівняльні котушки з опорами R'зр 2,5 Ом. Мости градуюють за такою схемою на номінальний сумарний опір дротів під'єднання,

який дорівнює:  = 2 (Rзр + Rл ) = 5 Ом.

Але така схема не  компенсує додаткову похибку від впливу зміни температури середовища (вона має значення 20С для нормальних умов) на лінію з’єднання, яка може бути суттєвою.Тому для виключення впливу зміни температури та довжини проводів з’єднання на результати вимірювання, застосовують схему з’єднання ТО з мостовою схемою в три дроти. Для цього в схему вводять третій дріт, яким одну із клем живлення безпосередньо під’єднують до головки ТО (рис. 1,б та рис. 3).  

             

Рис.3. Схема автоматичного моста для вимірювання температури у разі під'єднання  ТО R до мосту за схемою у три проводи.

Таким чином, одна із точок вимірювальної діагоналі (точка В на рис. 3), знаходиться на одній із клем головки ТО.  Суть такої схеми з’єднання в тому, що дроти лінії з’єднання з опорами Rпр (для рис.1,б) тепер входять у суміжні плечі мостової схеми А умова рівноваги має вигляд:

                            R1 (R + Rпр ) = (R2 + Rпр ) R3.        (5)

Якщо розрити дужки цієї залежності (виконати самостійно!!!), то видно, що за умови рівності R1 = R3 (яку в таких схемах забезпечують) та рівності опорів дротів з’єднання  Rпр, яка виконується за однакової їх довжині та поперечного перерізу, довжина дротів лінії з’єднання з опором Rпр та зміна

цього опору, що визивається зміною температури навколишнього середовища,

практично не впливають на результати вимірювань.

    Спрощена схема автоматичного моста для вимірювання температури за

тридротовою схемою ввімкнення первинного вимірювального перетворювача  

R  приведена на рис.3.  

                 3.2. Нормувальні перетворювачі для термометрів опору

В загальному, нормувальні перетворювачі призначені для перетворення вихідних сигналів стандартних ПВП, які не мають уніфікованого сигналу, в уніфікований сигнал постійного струму. Введення таких перетворювачів в контури автоматичних систем регулювання дозволяє їхнє підключення до мікропроцесорних контролерів та ЕОМ.

Загальна структурна схема будь-якого нормувального перетворювача приведена на рис.4 :

   Неуніфікований сигнал      Генератор        Уніфікований

                          

Рис.4. Структурна схема нормувального перетворювача

Вхідний сигнал  напруги або спаду напруги постійного струму =Uвх, що

надходить від ПВП, після алгебраїчного додавання в пристої порівняння ПП із сигналом зворотного зв’язку (в результаті одержується сигнал непогодження ΔU= Uвх - Uзз), перетворюється модулятором М у сигнал змінного струму, який підсилюється електронним підсилювачем ЕП і знову перетворюється у сигнал постійного струму демодулятором ДМ. Вихідний сигнал із ДМ, у вигляді постійних уніфікованих струму або напруги, надходить на вихід перетворювача

та на пристрій зворотного зв’язку ПЗЗ.

В якості сучасних модуляторів використовують магнітні підсилювачі (МП) 

(інша назва - дроселі насичення). Спрощена схема модулятора на базі МП та

вихідні його сигнали приведені на рис.5,а. Під час проходження постійного

струму =Івх  від ПВП через обмотку підмагнічування W1 виникає магнітний потік Ф1, який підмагнічує магнітопровід 1, змінюючи тим самим опір дроселя змінному струму ≈Івих  від напруги живлення змінного струму ≈U. В залежності від напрямку та величини потоку Ф1, який пропорційний вхідному струму =Івх  або напрузі ±Uвх  ПВП (рис.5,в),  відповідно буде змінюватись амплітуда та фаза (U2 та U3 ) вихідного змінного струму, спад напруги ≈Uвих  якого знімається із резистора R, по відношенню до вихідного значення U1.

 

     а)         

Рис.5. Спрощена схема а) та зміна вихідного сигналу в) магнітного підсилювача

    Схема нормувального перетворювача, в якій використовується розглянута схема магнітного підсилювача та яка побудована за замкненою безреохордною статичною компенсаційною схемою і яка призначена  для роботи в комплекті із термометрами опору, приведена на рис.6. Вхідною  =Uвх для схеми є напруга Uсd  у вимірювальній діагоналі незрівноваженої мостової схеми, яка залежить від  опору ТО Rt. Зміна цієї напруги вимірюється за компенсаційною схемою - спадом  напруги між точками К та Н на  постійному опорі Rкн, а змінність компенсаційної напруги забезпечується зміненням робочого струму зворотного зв’язку Ізз.

    Канал прямого перетворення вихідного сигналу ТО складається із:

вимірювального контуру І, який вміщує незрівноважений вимірювальний міст ВМ, в одне плече якого за три провідною схемою підключено ТО Rt, та підсилювач П1, який вміщує магнітний підсилювач МП, що виконаний за двотактною двопівперіодною схемою, та напівпровідниковий підсилювач НП в

режимі підсилення стуму і струмовим виходом Івих, та контуру ІІ зворотного

зв’язку (компенсації), який містить опір Rкн та підсилюч П2 зворотного зв’язку.

    Напруга у вимірювальній діагоналі Ucd незрівноваженого моста залежить від  опору ТО і змінюється по залежності (2). Вихідний каскад підсилювача постійного струму НП створює струм Івих, що надходить у зовнішнє коло приймача інформації з опром навантаження Rн, а далі у підсилювач зворотного зв’язку П2. Вихідний струм  Ізз зворотного зв’язку  підсилювача  П2  є  робочим струмом контуру компенсації і створює на резисторі спад напруги Uкн,  яка направлена назустріч напрузі у вимірювальній діагоналі Ucd.  Підсилювач П1 виконує роль нуль-індикатора, на якому порівнюються обидві напруги. Напруга розбалансу (ΔU = Uкн - Ucd) подається на підсилювач П1, де цей сигнал постійного струму спочатку перетворюється в першому каскаді (магнітному підсилювачі МП - модуляторі) у сигнал змінного струму, який, після підсилення в другому каскаді МП, знову перетворюється в сигнал постійного струму.

    Вихідний струм струм  Ізз зворотного зв’язку  підсилювача П2 теж

змінюється змінюється і змінює спад напруги  Uкн на  постійному опорі Rкн доти, поки небаланс ΔU не зменшиться до деякої малої величини ΔUст, яку називають статичною похибкою компенсації. Позбавитися похибки ΔUст, яка притаманна завжди для замкнених статичних схем регулювання, принципово не можливо, бо вихідний струм нормувального перетворювача Івих та струм Ізз 

компенсації визначаються наявністю цієї похибки і пропорційні їй.

                         

                                                             

Рис. 6. Схема нормувального струмового перетваювача для роботи і комплекті із темометром опору.

   Таким чином, якщо нехтувати малою величиною статичної похибки ΔUст, після відпрацьовування схемою розузгодження ΔU, отримуємо: Uкн = Ucd .

    Або підстававши відповідні значення цих напруг отримуємо: ІззּRкн=kмּRt, де kмкоефіцієнт перетворення моста.  Так як вихідний струм перетворювача Івих  еквівалентний струму  Ізз , то отримуємо Івих =kּRt , тобто, він є пропор-ційним напрузі у вимірювальній діагоналі, а kсталий коефіцієнт схеми.

Класи точності таких нормувальних перетворювачів – 0,25…1,0. 

3.3. Двоканальний мікропроцесорний вимірювач ТРМ 200

Призначення:

    Двоканальний вимірювач типу ТРМ 200 ((рис.7 та рис.8), в комплекті з вхідними ПВП (термопарами, термометрами опору) або з ПВП, які мають уніфіковані вихідні сигнали по струму чи напрузі, призначений для контролю різноманітних технологічних виробничих процесів. ТРМ 200  є вимірювачем нового покоління. Рекомендується до застосування у холодильній техніці,

сушильних шафах, печах, пастеризаторах.

Основні функціональні характеристики:

Два універсальних входи для підключення широкого спектра датчиків темпе-

ратури, тиску, вологості та ін. Можна підключати два датчики різного типу.

Перетворення сигналу датчика для індикації реального значення фізичної

величини (масштабування шкали для аналогового входу, цифрова фільтрація,

корекція).

Обчислення квадратного кореня з вимірюваної величини й різниці двох вимірюваних величин.

 Визначення різниці двох вимірюваних величин (T=T1-T2)

 Два цифрових індикатори і зручне меню параметрів для програмування

приладу.   

Вбудований двонаправлений інтерфейс RS-485 для зв’язку приладу з ЕОМ надає  можливості конфігурувати та реєструвати дані на ЕОМ.

                        

    

  

                      Рис. 8. Структурна схема та схема підключення ТРМ 200.

         

Рівні захисту налаштувань приладу для різних груп фахівців. Як програмне забезпечення можна використовувати SCADA-систему  ОВЕН ОРС - сервер або будь-яке інше програмне забезпечення (при наявності відповідного драйвера).

Технічні характеристики:

Живлення: напруга  90... 245 В змінного струму, частота -  47...63 Гц.

Універсальні входи: кількість універсальних входів - 2.

Межа допустимої основної похибки    вимірювання вхідного параметра:

±0,5 %.  Інтерфейс звязку  RS-485 з  швидкістю передачі  даних  2.4; 4.8; 9.6; 19.6; 38.4; 57.6; 115.2 кбіт/с, тип кабелю передачі даних - екранована вита пара.

ТРМ 200 дозволяє під’єднання  ТО за схемами з’єднань в два та три проводи.

   4. Опис лабораторної установки та перелік приладів лабораторного стенду

    Для виконання лабораторної роботи на лівій панелі стенду №3 вимірювання

температури зібрана схема, яка приведена на рис 9. Використовуються два прилади ТРМ 200, а також вимірювальний перетворювач Sitrans  TF2 (як зразковий прилад) та два ТО ТСМ 50 в термостаті стенду. Дослідження виконуються порівнянням показів приладу ТРМ 200,  два канали якого ввімкнуті у вимірювальний ланцюг ТО ТСМ 50 за схемами з’єднань в два та три проводи.

    

    

Рис. 9. Схема дослідження впливу на результати вимірювання зміни температури навколишнього середовища при під'єднанні ТО  до ТРМ 200 за схемою у два та три  проводи.

 

   Для зміни   температури лінії зв’язку  виготовлений спеціальний електричний

нагрівач, на який намотано 5 мідних дротів діаметром 0,75 мм та довжиною по

30 м, за допомогою яких імітуються  лінії зв’язку в два та три проводи.

Температура лінії зв’язку контролюється одним із каналів другого ТРМ 200. 

5. Порядок виконання роботи

   5.1. Подати електричне живлення на стенд тумблером “Живлення ~220В”.                                                                                            

   5.2. Подати електричне живлення на Sitrans TF2 тумблером “ +24 В”.                                                   

   5.3.  Подати електричне живлення на ТРМ 200 тумблерами “ТРМ 200”.

      5.4. Прогріти прилади терміном до 5 хвилин.

   5.5. Записати  у верхньому рядку  табл.1 початкові: покази Sitrans TF2 (використовувати як зразкові); покази вторинних приладів ТРМ 200  про значення температури в термостаті для лінії зв’язку в два та три проводи,  а також про  вихідне значення температури ліній зв’язку в два та три проводи (записати у верхніх частинах комірок, що відповідають рядку ТРМ 220 Л.З., °C (температура лінії зв’язку).

    5.6. Початкові покази Sitrans TF2 будуть близькими до значень, указаних в  таблиці 1  (15, 20, 25 або 30)  °C. Ближче, але менше із вказаних значень, вибрати за початок діапазону вимірювання.  

                                                                                          Таблиця 1

Дійсні  значення,

°C по TF2

Покази приладу

ТРМ 200 за дво-проводо-вою схемою,

°C, 

Покази приладу

ТРМ 200 за дво-проводо-вою схемою,

°C,

Абсолют-на, °C

▼       ▲

   

        (50)

Приведе-на, %

     

        (50)

Відносна, %

      

        (50)

Варіація,

°C

        (50)

ТРМ 220 Л.З., °C

50

Похибки

  15

 

  20

  25

  30

  35

  40

  45

  50

  55

  60

  65