Автоматичний електронний пристрій для вимірювання
Національний університет
“Львівська політехніка”
Кафедра АТХП
Дослідження статичних характеристик первинних перетворювачів, нормуючих перетворювачів та вторинних приладів
Інструкція до лабораторної роботи №3
з курсу “Технологічні вимірювання ті прилади”
для базового напрямку підготовки 6.0922500
“Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології
Затверджено
на засіданні кафедри
автоматизація теплових
і хімічних процесів
Протокол № 1 від 22.08.2011 р.
Львів 2011
Дослідження статичних характеристик первинних перетворювачів, нормуючих перетворювачів та вторинних приладів. Інструкція до лабораторної роботи №3 з курсу “Технологічні вимірювання ті прилади” для базового напрямку підготовки 6.0922500 “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології” /Укл. Б.А. Кріль, Львів: Вид-во нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2011.- 8 с.
Укладач: Кріль Б.А., доцент
Відповідальний за випуск Пістун Є.П., д.т.н., професор
Рецензенти: Савицький В.К. ,
Вашкурак Ю.З.
Мета роботи: експериментально дослідити статичні характеристики системи автоматичного контролю (САК); вивчити принцип дії нормуючих перетворювачів і електропневматичних перетворювачів, статичні характеристики яких необхідно дослідити.
Загальні відомості
Засоби вимірювання, а в багатьох випадках і їх перетворюючі елементи виконуються так, що перетворення сигналів, яке в них відбувається має властивість неповоротності або напрямленості. Це значить, що зміна сигналу на вході засобу вимірювання призводить до відповідної зміни сигналу на виході, але зворотній вплив вихідного сигналу на вхідний відсутній.
Сигнал, який викликає зміни іншої величини, називається вхідною величиною (вх. сигналом), а сигнал на виході - вихідною величиною (вих. сигналом).
Статичною характеристикою засобів вимірювання (вимірювального приладу або перетворювача) називають функціональну залежність між вихідною величиною y (переміщення вказівника приладу або вихідний сигнал перетворювача) і вхідною величиною x в усталеному режимі :
y=f(x)
Цю залежність називають також рівнянням шкали приладу, градуювальною характеристикою приладу або перетворювача. Статична характеристика може бути задана аналітично, графічно або у вигляді таблиці.
В загальному випадку лінійна або лінеаризована статична характеристика засобів вимірювання описується рівнянням вигляду
y=А+Kx
де А - константа, що має розмірність y ;K -коефіцієнт передачі, що має розмірність у/x і називається коефіцієнтом перетворення.
Якщо лінійна статична характеристика засобу вимірювання проходить через початок координат (мал.6.1.б), то рівняння має вигляд
у=Кх
а) б)
у у
ук
ук
а
а
А х х
хк хк
у у 2
А
ук
А
ун
хн х0 хк х x
Мал.6.1 Статичні характеристики: а)-лінійна з А<>0; б) -лінійна з А=0;
в) -нелінійна; г) -нелінійна з лінеаризацією 1/-методом дотичної; 2/- методом січної.
Лінійна статична характеристика оцінюється кутом її нахилу, тангенс якого рівний передаточному коефіцієнту К елементу. Передаточний коефіцієнт показує , в скільки разів зміна вихідної величини більша або менша від зміни вхідної величини, і відповідно ,може бути як, так і менше одиниці. Для лінійних статичних характеристик він- величина стала і характеризує чутливість елементу.
Для більшості засобів вимірювання переважно є лінійна статична характеристика. Нелінійні статичні характеристики засобів вимірювання допускаються тільки в тому випадку, коли вони обумовлені використовуваним принципом вимірювання і нелінійність не може бути виключена. Мірою відхилення нелінійної характеристики від лінійної служить відносна нелінійність статичної характеристики, яка визначається відношенням у/xN (мал.6.1.в), де у-максимальний відрізок вихідної координати між статичною характеристикою і прямою, що з’єднує початок xп і кінець хк нелінійної характеристики, а xN- нормуюче значення, або діапазон вимірювань вхідного сигналу. Якщо відносна нелінійність статичної характеристики невелика, або діапазон вимірювань xN обмежений, то можна лінеаризувати характеристику, тобто замінити реальну нелінійну залежність у від х наближеною лінійною.
Лінеаризацію заданої графічної характеристики здійснюють методами дотичної або січної.(мал.6.1.г)
Якщо нелінійна характеристика задана аналітично, то для її лінеаризації використовують розклад в ряд Тейлора.
Використовуючи до вимірювальних приладів і перетворювачів коефіцієнт передачі К , переважно називають чутливістю. У випадку лінійної статичної характеристики чутливість залишається постійної для будь-якої точки шкали. При нелінійній статичній характеристиці чутливість буде визначатися відношенням приросту вихідного сигналу
у до приросту вхідної величини х :
S= y/ x
Якщо всі ланки приладу нелінійні, то чутливість приладу - величина постійна, а шкала рівномірна. Якщо хоча б одна ланка приладу має нелінійну характеристику то шкала нерівномірна.
Порогом чутливості називається найменша зміна значення вимірюваної величини, яка здатна викликати найменші зміни показу вимірювального приладу.
Одна з головних властивостей лінійних елементів - можливість використання для них принципу суперпозиції або накладання, що базується на тому, що загальна реакція елементу на суму вхідних величин рівна сумі реакцій на кожну вхідну величину окремо. Цей принцип дозволяє експериментально досліджувати властивості лінійного елементу або групи елементів шляхом по чергового прикладення всіх можливих для цього випадку вхідних величин (дій).
Автоматичний електронний пристрій для вимірювання
уніфікованого сигналу постійного струму типу КСУ.
У відповідності з вимогами для вимірювання уніфікованого сигналу постійного струму, стандартизовані діапазони вимірювань складають 0...5мА, 0...20мА, 0...100мА, використовуються автоматичні електронні прилади типу КСУ, аналогічні потенціометрам КПС і мостам КСМ. Основна похибка показів КСУ1 не перевищує 
1%, КСУ2 0.5%, КСУ4 0.25%.
На мал. 6.2 показана функціональна схема автоматичного приладу типу КСУ. Вимірювальна схема незначно відрізняється від схеми автоматичного потенціометра. Як і в потенціометрі вимірювана напруга алгебраїчно сумується з напругою знятою з діагоналі вимірювальної схеми, і результат сумування подається на вхід електронного підсилювача ЕП, струмовий уніфікований сигнал перетворюється з допомогою шунта Ri в спадок напруги, який змінюється в діапазоні 0...10 мВ. Для струмового сигналу 0...5мА Ri дорівнює 2 Ом, а для сигналу 0...20мА - 0.5 Ом.
 |
Мал.6.2. Функціональна схема автоматичного електронного приладу,
що вимірює уніфікований струмовий сигнал.
Призначення опорів R, R1, R2 i R3 таке саме, як і в автоматичних потенціометрах, опір R4 не є компенсаційним, як у потенціометрів, і спільно з опором R5 доповнює вимірювальну схему.
Електропневмоперетворювач типу ЕПП.
Перетворювач типу ЕПП призначений для перетворювання уніфікованого електричного сигналу постійного струму 0...5мА уніфікований пневматичний неперервний сигнал 0.02...0.1 мПа.
Принципова схема електропневматичного перетворювача показана на мал.6.4. Вхідним пристроєм служить магнітоелектричний силовий механізм, який складається з магнітопровода 8, постійного магніту 9 і котушок 10, по яких тече струм Івх =0...5мА. Магнітний потік, що виникає в магнітопроводі 8 при проходженні електричного сигналу по котушкам електромагніту, сприяє переміщенню якоря 7, підсилення на якому пропорційне силі струму.
 |
Мал.6.3. Схема електропневмоперетворювача ЕПП.
Переміщення якоря веде за собою переміщення важеля 12 з точкою опори 6. Індикатор складається з сопла 2 і заслінки 3. Пристрій зворотнього зв’язку 5 являє собою силовий елемент - сильфон. Початок діапазону перетворення при нульовому вхідному сигналі Івх встановлюється з допомогою пружини-коректора нуля 4, яка кріпиться на платі 1.
Тиск повітря в лінії виходу, що залежить від положення заслінки по відношенню до сопла, поступає на підсилювач потужності 11 і по пневмолінії подається на вихід перетворювача і в сильфон зворотнього зв’язку 5 . Зусилля, яке виникає в цьому сильфоні від дії вихідного тиску, зрівноважує зусилля на якорі від вхідного сигналу.
Вторинний прилад ГСП для вимірювання уніфікованого пневматичного сигналу серії ПВ.
Вторинні пневматичні прилади типу ПВ (системи СТАРТ) працюють з пневматичними давачами та іншими пристроями, що видають уніфіковані аналогові сигнали в межах 0,02…0,1 МПа.
Випускаються прилади типу ПВ різних модифікацій – для безперервного запису та відображення величини одного параметра (ПВ4.2П), для безперервного запису та відображення величини двох параметрів (ПВ4.3П), для безперервного запису та відображення величини одного параметра заданої величини, а також тиску, що подається на виконавчий механізм (ПВ10.1П). Остання модифікація ПВ використовується тільки у системах автоматичного регулювання.
Прилади типу ПВ мають з’ємний стрічковий механізм.
Принцип дії приладу (мал.6.4) базується на компенсаційному методі вимірювання, при якому зусилля на приймальному елементі, що виникає від вхідного тиску Рвх , зрівноважується зусиллям від тиску повітря джерела живлення.
Мал.6.4 Принципова схема пневматичного приладу типу ПВ4.2П
Приймальний елемент (сильфон 1) сприймає від давача (перетворювача) імпульси тиску Рвх =0,02…0,1 МПа.
Стиснуте повітря від джерела живлення надходить у лінію, що сполучає сопло 2 із силовим елементом 6.
Зміна Рвх викликає зміну зазору між заслінкою, що закріплена на конусі важеля 3 приймального елементу, і соплом, що призводить до зміни тиску повітря у лінії сопла, а відповідно, у силовому елементі 6. При цьому переміщуються чашкова мембрана силового елемента та важіль 5, що спирається на неї, котрий також пов’язаний з важелем 3 з допомогою пружини зворотнього зв’язку 4. Таким чином зусилля, що створюється на силовому елементі 6, зрівноважується зусиллям на сильфоні 1 від дії вимірюваного параметру.
Переміщення важеля 5 силового елементу передається перу або вказівнику приладу 7. Привід стрічкової діаграми може здійснюватися з допомогою пневмодвигуна з регулятором ходу від годинникового балансу (ПВ4.2П) або електродвигуна (ПВ4.2Э). Основна допустима похибка вторинних пневматичних приладів ±1,0%.
Порядок виконання роботи
1. Ввімкнути прилад.
2. Під’єднати зразкові прилади
3. Розрахувати значення показів, в яких буде проводитись перевірка.
4. Задати розраховані значення.
5. Обробити результати перевірки та внести їх в протокол досліджень.
6. Зробити висновок про характер статичної характеристики приладу та придатність його до експлуатації.