Динамические характеристики терморезистивного преобразователя (ручной режим измерений).

Цель работы: изучение зависимости показаний терморезистивного преобразователя от времени пребывания в среде, температура которой измеряется. Определение влияния среды на время установления показаний терморезистивного преобразователя.

Теоретические основы.

Терморезистивным преобразователем или терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры.

Рассмотрим ситуацию (рисунок 2.1), когда терморезистивный преобразователь (поз. 1) погружают в среду (поз. 2), находящуюся в адиабатической оболочке (поз. 3).

1 2 3

Пусть преобразователь имеет теплоемкость С₁ и начальную температуру Т₁, среда имеет теплоемкость С₂ и начальную температуру Т₂, коэффициент теплопередачи (учитывающий теплопроводность и конвекцию) между преобразователем и средой равен λ, тогда уравнение

теплообмена между преобразователем и средой выглядит следующим образом:

(1)

(2)

г де t - время от начала погружения преобразователя в среду, Т - текущая температура преобразователя, Тс - текущая температура среды.

Подставляя (1) в (2) получаем: (3)

И з (3) можно заключить, что при С₂ >> С₁ T_c=const=T₂, таким образом уравнение (1) можно записать в следующем виде:

после интегрирования с учетом, что при t=0, T=T₁, получаем:

(5)

Обозначим t₀=C₁/λ, тогда уравнение (5) приводится к следующему виду:

(6)

Анализируя выражения (5) и (6) можно заметить, что температура преобразователя, а, следовательно, и его показания, далеко не всегда равны измеряемой температуре среды. При этом, чем больше начальная разность температур и/или теплоемкость преобразователя, тем большее время нужно для достижения заданной точности измерения температуры; чем выше коэффициент теплопередачи, тем меньшее время нужно для достижения заданной точности измерения температуры.

Экспериментальная часть.

Для проведения экспериментальных исследований с приборами измерения температуры предназначена левая часть стенда с емкостью для нагрева жидкости, с установленным в ней термометром и двумя терморезистивными преобразователями.

Последовательность выполнения лабораторной работы:

1. Вынуть подвижный преобразователь из емкости.

2. В случае необходимости дождаться выравнивания его температуры и комнатной, измерить температуру воздуха в комнате - Т_ВК, занести температуру в таблицу 2.1.

3. Проверить, что измеритель-регулятор, подключенный к неподвижному преобразователю, настроен на температуру отключения не более 50°С, при необходимости перенастроить.

4. Заполнить емкость нагрева рабочей жидкостью (водой), включив насос и открыв кран ВН2. Заполнение произвести так, чтобы преобразователь ДТ2 находился в воде минимум на 5 см. После наполнения емкости закрыть кран ВН2 и выключить насос.

5. Включить процесс нагрева. Дождаться отключения процесса нагрева по достижении заданной температуры и установления показаний ДТ2.

6. Ввести подвижный преобразователь ДТ1 в емкость, включить секундомер с ручным управлением.

7. По мере прогрева ДТ1 заносить текущие значения температуры Т_Жi и времени t_Жi в таблицу 2.2 (секундомер при этом не выключать), рекомендуемый шаг по времени 4-6 с, первая точка соответствует времени по секундомеру t=0 с. Процесс продолжать до выравнивания показаний ДТ1 и ДТ2 (разница не более 1°С).

8. Занести показание ДТ2 в таблицу 2.2, как Тжк.

9. Выключить секундомер, сбросить его показания.

10. Вынуть ДТ1 из емкости, повесить на стенд, так, чтобы с металлический стержень не касался частей стенда.

11. По мере остывания ДТ2 заносить текущие значения температуры Твi и времени t_Bi в таблицу 2.1 (секундомер при этом не выключать), рекомендуемый шаг по времени 10-15 с.

12. Слить воду из емкости открыв краны ВН2 и ВНЗ.

13. Вычислить значения функции и занести в таблицу, где Тж1 — первая измеренная точка по температуре при прогреве ДТ1 (после введения в емкость).

14. Нанести полученные точки на график в координатах t - Fж, провести через полученные точки прямую, вычислить ее угловой коэффициент k_ж, занести в таблицу 2.2. Вычислить постоянную времени пары преобразователь – жидкость t_0Ж=1/k_Ж, занести в таблицу 2.2.

15. Вычислить значение функции и занести в таблицу, где T_В1 — первая измеренная точка по температуре при остывании ДТ1 (после извлечения из емкости).

16. Нанести полученные точки на график в координатах t - F_B, провести через полученные точки прямую, вычислить ее угловой коэффициент kв, занести в таблицу 2.1. Вычислить постоянную времени пары преобразователь - воздух t_0B =1/k_B , занести в таблицу 2.1.

17. Сделать выводы о влиянии среды, температура которой измеряется, на время установления показаний преобразователя.

Примечание. Вычисление и построение кривых по пунктам 13-16 рекомендуется проводить с использованием программного обеспечения (например, MS Excel, MathCAD).

Таблица 2.1. Измерение ДТ1 - воздух

Таблица 2.1. Измерение ДТ1 - вода

Лабораторная работа №3

Динамические характеристики терморезистивного преобразователя (автоматический режим измерений).

Цель работы: изучение зависимости показаний терморезистивного преобразователя от времени пребывания в среде, температура которой измеряется. Определение влияния среды на время установления показаний терморезистивного преобразователя. Изучение автоматизации сбора и обработки экспериментальных данных.

Теоретические основы.

Смотреть лабораторную работу «Динамические характеристики терморезистивного преобразователя (ручной режим измерений)».

Экспериментальная часть.

Для проведения экспериментальных исследований с приборами измерения температуры предназначена левая часть стенда с емкостью для нагрева жидкости, с установленным в ней термометром и двумя терморезистивными преобразователями и персональный компьютер.

Последовательность выполнения лабораторной работы:

1. Подключить ноутбук к плате АЦП, включить ПК.

2. Вынуть подвижный преобразователь из емкости.

3. В случае необходимости дождаться выравнивания его температуры и комнатной, измерить температуру воздуха в комнате — Твк, занести температуру в таблицу 3.1.

4. Проверить, что измеритель-регулятор, подключенный к неподвижному преобразователю, настроен на температуру отключения не более 50°С, при необходимости перенастроить.

5. Заполнить емкость нагрева рабочей жидкостью (водой), включив насос и открыв кран ВН2. Заполнение произвести так, чтобы преобразователь ДТ2 находился в воде минимум на 5 см. После наполнения емкости закрыть кран ВН2 и выключить насос.

6. Включить процесс нагрева. Дождаться отключения процесса нагрева по достижении заданной температуры и установления показаний ДТ2.

7. Запустить программу измерений на ПК, выбрать пункт меню «Температура».

8. Ввести подвижный преобразователь ДТ1 в емкость, запустить процесс измерения, нажав кнопку «Начать измерение».

9. Дождаться выравнивания показаний ДТ1 и ДТ2 (разница не более 1°С) или стабилизации показаний ДТ1 (отслеживать по графику, рисуемому программой).

10. Нажать кнопку «Закончить измерение». Программа автоматически подберет параметры Т_жк и t_0ж

11. Занести полученные результаты в таблицу 3.1.

12. Вынуть ДТ1 из емкости, повесить на стенд так, чтобы металлический стержень не касался частей стенда.

13.Запустить процесс измерения, нажав кнопку «Начать измерение».

14. Дождаться стабилизации показаний ДТ1 (отслеживать по графику, рисуемому программой), но не более 10 минут от начала измерения.

15. Нажать кнопку «Закончить измерение». Программа автоматически подберет параметры Т_вк и t_0в.

16. 3анести полученные результаты в таблицу 3.1.

17. Слить воду из емкости открыв краны ВН2 и ВНЗ.

18. Сравнить конечные температуры, спрогнозированные программой, и реально измеренные. Сделать выводы.

19. Сделать выводы о влиянии среды, температура которой измеряется, на время установления показаний преобразователя.

Таблица 3.1. Результаты испытаний

Лабораторная работа №4.