Файл: Лабораторная работа 1 измерение температуры. Первичные преобразователи (датчики) Группа тэ220.doc

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Кафедра Энергетики
Дисциплина «Технические средства автоматизации»


Лабораторная работа №1
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.

ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ДАТЧИКИ)

Группа: ТЭ-2-20

Выполнил: Миляков К.А.
Проверил: Меньшиков П.Д.

Волжский 2023

Цель работы: Изучить понятие измерения температуры, Изучить методы

нахождения температурных измерений, провести лабораторную работу, подготовить отчёт.
Задачи работы

1. Определить назначение выводов термосопротивления, выданного преподавателем. Составить схему подключения датчика к модулю ввода по заданию преподавателя. После проверки преподавателем подключить.

2. Составить схему подключения датчика ТСМУ к модулю ввода. После проверки преподавателем подключить.

3. Подключить термопару к модулю ввода.

4. Подключить модуль ввода к ПК, установить соответствующие параметры входов для корректного измерения температуры.

Теоретическая часть

Первичные преобразователи (датчики) предназначены для контроля физических параметров объекта (температуры, давления, расхода и т. п.) и преобразования их в электрические сигналы, оптимальные с точки зрения дальнейшей их обработки.

В качестве входных датчиков прибора могут быть использованы:

– термопреобразователи сопротивления;

– термопары (преобразователи термоэлектрические);

– активные преобразователи с выходным аналоговым сигналом в виде постоянного напряжения или тока;

– датчики положения исполнительных механизмов;

– сухие контакты реле или выключателя.

---

1.1. Термопреобразователи сопротивления

Термопреобразователи сопротивления (ТС) применяются для измерения температуры окружающей среды в месте установки датчика. Принцип действия таких датчиков основан на существовании у ряда металлов воспроизводимой и стабильной зависимости активного сопротивления от температуры. В качестве материала для изготовления ТС в промышленности чаще всего используется специально обработанная медная (для датчиков ТСМ), платиновая (для датчиков ТСП) или никелевая (для датчиков ТСН) проволока.

Выходные параметры ТС определяются их номинальными статическими характеристиками (НСХ), стандартизованными ГОСТ Р 50353-92. Основными параметрами НСХ являются: начальное сопротивление датчика R0, измеренное при температуре 0 °С, и температурный коэффициент сопротивления W100, определяемый как отношение сопротивления датчика, измеренное при температуре 100 °С, к его сопротивлению, измеренному при 0 °С. В связи с тем что НСХ термопреобразователей сопротивления – функции нелинейные (для ТСМ – в области отрицательных температур, а для ТСП – во всем диапазоне), в приборе предусмотрены средства для линеаризации показаний.

Поскольку чувствительный элемент (ЧЭ) имеют малое номинальное сопротивление, сравнимое с сопротивлением подводящих проводов, то должны быть приняты меры по устранению влияния сопротивления подводящих проводов на измерение температуры.

Эффективность мер определяется методом измерения и способом подключения ко вторичному прибору. Основных схем подключения три:

– двухпроводная;

– трехпроводная;

– четырехпроводная.


1.1.1. Двухпроводная схема подключения термосопротивлений

В простейшей двухпроводной схеме (рис. 1.1) влияние сопротивления подводящих проводов не устраняется. Напряжение измеряется не только на ЧЭ, но и на соединительных проводах.



При этом нужно иметь в виду, что сопротивление соединительных проводов проявляет себя двумя способами. Во-первых, изменяется эквивалентное сопротивление датчика, что приводит к смещению в измерении температуры. Во-вторых, сопротивление соединительных проводов само по себе зависит от температуры окружающей среды.

Иногда смещение температуры пытаются скорректировать во вторичном приборе, однако этот подход неэффективен, так как температура окружающей среды меняется.

---

Двухпроводная схема может быть использована, в случае если сопротивлением подводящих проводов (r1, r2) можно пренебречь по сравнению Rt.



1.1.2. Трехпроводная схема подключения термосопротивлений

Влияние сопротивления соединительных проводов в трехпроводной схеме

(рис. 1.2) устраняется путем компенсации.



Компенсация возможна, если соединительные провода одинаковы. В этом случае появляется возможность выделить отдельно напряжение на соединительных проводах и скомпенсировать его.


Равенство сопротивлений соединительных проводов и их температурных зависимостей является основным условием применимости трехпроводной схемы.

1.1.3. Четырехпроводная схема подключения термосопротивлений

В четырехпроводной схеме (рис. 1.3) питание ЧЭ током возбуждения производится с помощью одних проводов, а измерение разности потенциалов на ЧЭ – с помощью других. Если измерение напряжения производится высокоомным вольтметром (ток через r2 и r3 не течет), то влияние сопротивления всех проводов полностью исключается.



Следует учесть, что если измерительный прибор рассчитан на четырехпроводную схему, то датчик к нему можно подключить и по двухпроводной схеме. При этом дополнительная погрешность измерения, вызванная влиянием соединительных проводов, будет иметь величину порядка (r2 + r3) / Rt.

1.1.4. Погрешности измерения

Погрешности измерения, которые возникают за счет влияния соединительных проводов, для различных схем приведены в табл. 1.1. Схема подключения датчика температуры по трехпроводной схеме к модулю ввода МВА8 показана на рис. 1.4.

1.2. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Термоэлектрические преобразователи (термопары) ТП, так же как и термопреобразователи сопротивления, применяются для измерения температуры. Принцип

---

действия термопар основан на эффекте Зеебека, в соответствии с которым нагревание точки соединения двух разнородных проводников вызывает на противоположных концах этой цепи возникновение электродвижущей силы – термоЭДС. Величина термоЭДС изначально определяется химическим составом проводников и, кроме этого, зависит от температуры нагрева.

НСХ термопар различных типов стандартизованы ГОСТ Р 8.585-2001. Так как характеристики всех термопар в той или иной степени являются нелинейными функциями, в приборе предусмотрены средства для линеаризации показаний.

Точка соединения разнородных проводников называется рабочим спаем термопары, а их концы – свободными концами или (иногда) холодным спаем. Рабочий спай термопары располагается в месте, выбранном для контроля температуры, а свободные концы подключаются к измерительному прибору.

Если подключение свободных концов непосредственно к контактам модуля ввода не представляется возможным (например, из-за их удаленности друг от друга), то соединение термопары с прибором необходимо выполнять при помощи компенсационных термоэлектродных проводов или кабелей, с обязательным соблюдением полярности их включения. Необходимость применения таких проводов обусловлена тем, что ЭДС термопары зависит не только от температуры рабочего спая, но также и от температуры ее свободных концов, величину которой контролирует специальный датчик, расположенный в приборе. При этом использование термоэлектродных кабелей позволяет увеличить длину проводников термопары и «перенести» ее свободные концы к клеммнику модуля ввода.

Схема подключения датчика температуры к модулю ввода МВА8 показана на рис. 1.5.

1.3. Активные преобразователи

Активные преобразователи с выходным аналоговым сигналом применяются в соответствии с назначением датчика для измерения таких физических параметров, как давление, температура, расход, уровень и т. п. Выходными сигналами таких датчиков могут быть как изменяющееся по линейному закону напряжение постоянного тока, так и величина самого тока.

Питание активных датчиков может осуществляться как от встроенного в прибор источника постоянного тока с выходным напряжением 24 ±3 В, так и от внешнего блока питания.

---

Подключение датчиков с выходным сигналом в виде постоянного напряжения (–50,0…50,0 мВ или 0...1,0 В) может осуществляться непосредственно к входным контактам прибора, а датчиков с выходом в виде тока – только после установки шунтирующего резистора сопротивлением 100 Ом (допуск не более 0,1 %).

Схема подключения датчика температуры к модулю ввода МВА8 показана на рис. 1.6.

1.3.1. Термопреобразователи ТСМУ-205-Н, ТСПУ-205-Н, ТХАУ-205-Н

Термопреобразователи (рис. 1.7) предназначены для преобразования значения температуры различных сред в различных отраслях промышленности – теплоэнергетической, химической, металлургической, а также в сфере ЖКХ, – в унифицированный токовый выходной сигнал 4...20 мА.



Термопреобразователи состоят из первичного преобразователя температуры (ПП) и измерительного преобразователя (ИП). В качестве первичных преобразователей температуры используются термопреобразователи сопротивления 100П, Pt100, 100М и преобразователи термоэлектрические ХА (К).

ИП предназначен для преобразования сигнала от первичного преобразователя в токовый выходной сигнал. ИП содержит компенсатор нелинейности входного сигнала и компенсатор температуры «холодного» спая для ТХАУ.

Схема электрических соединений термопреобразователей с унифицированным выходным сигналом ТСМУ-205-Н, ТСПУ-205-H представлена на рис. 1.8.



Внешний вид, схема системы контроля и регулирования температуры представлены на рис. 1.9–1.10.

1.5. Контрольные вопросы

1. Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия. Градуировки.

2. Термопреобразователи сопротивления. Двух-, трех-, четырехпроводная

схема подключения. Принцип компенсации. Погрешности измерения.

3. Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия. Законы

термоэлектричества.

4. Термоэлектрические преобразователи. Особенности подключения.

5. Активные преобразователи. Принцип действия. Схемы подключения.
Вывод: В текущей лабораторной работе ознакомился с первичными преобразователями (датчиками), подключил термопару к модулю ввода и закрепил знания теоретической частью.

---