Методы и средства измерений

Аннотация

Данная расчетная работа выполнена на 35 листах печатного текста формата А4, содержит 13 таблиц, 10 рисунков, 2 графика. В расчетной работе рассмотрены следующие темы:

– методы и средства измерения температуры;

– методы и средства измерения давления;

– методы и средства измерения расхода;

– методы и средства измерения влажности и состав вещества.

Содержание

Введение

Задание 1. Методы и средства измерений температуры

Задание 2. Методы и средства измерений давления

Задание 3. Методы и средства измерений расхода

Задание 4. Приборы для измерения состава, влажности и свойств вещества

Заключение

Библиографический список

Введение

В различные исторические периоды состояние мер и измерительной техники находилось в прямой зависимости от хозяйственной деятельности, религиозных и других факторов жизни общества.

В 1790 году Учредительным собранием Франции был поставлен вопрос о создании и узаконении единой и обязательной для всех контролируемой государственной системы мер. В 1799 году на хранение в архив Французской республики были переданы платиновые эталоны метра и килограмма. Вся совокупность метрических мер, созданных и узаконенных во Франции в конце XVIII века, легла в основу метрической системы мер, некоторые единицы вошли в качестве основных в Международную систему единиц (СИ).

Механика была первой из наук, где применялись единицы измерения. В прошлом существовало несколько вариантов систем единиц, но постепенно общепринятой стала система СГС (сантиметр, грамм, секунда). Затем была разработана система МКС (метр, килограмм, секунда).

В 1867 году в Париже был организован Международный комитет мер и весов, основная задача которого состояла в тщательном изучении метрических мер, сравнение их с другими мерами, выявлении и разработке возможностей использования их внутри каждой страны и для международных отношений.

Электроизмерительные приборы, имеющие более 250-летнюю историю, обязаны своим развитием работам А. Вольта, А. Ампера, М. Фарадея. Им принадлежит первенство в создании приборов прямого преобразования - гальванометров, амперметров, вольтметров и т.д.

История создания приборов уравновешивающего преобразования начинается с 1841 года, когда были предложены мостовой метод измерения (мост Уитстона) и компенсационный метод измерения постоянного напряжения (компенсатор Поггендорфа). Кроме того, в XIX веке найдены основные принципы неэлектрических величин в электрические: термоэлектрический эффект (Т. Зеетек, У. Томсон), пьезоэффект, тензоэффект (О. Д. Хвольсон).

Дальнейшему развитию электроизмерительных приборов способствовало изобретение электронной лампы: в 1904 году появился диод, а в 1910 году – триод и пентод. Сочетание усилителей и выпрямителей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом позволило создать электронные вольтметры, частотомеры, фазометры. Изобретение электронно-лучевой трубки в 1911 году привело к созданию электронно-лучевого осциллографа, который стал универсальным электроизмерительным прибором. Развитие электроники привело к разработке автоматических компенсаторов и мостов. Таким образом, классическая электроизмерительная техника дополнилась приборами с автоматическим уравновешиванием и электронными измерительными приборами.

ЗАДАНИЕ 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.1 Термопара, имеющая сопротивление Rвн, подключена к милливольтметру с внутренним сопротивлением Rv, измерения проводятся в диапазоне ДИ.

Требуется:

1.Изобразить схему подключения термопары к милливольтметру.

2.Определить диапазон изменения напряжения на выводах милливольтметра при температуре свободных концов термопары, если Т0 = 0 °С.

3.Определить систематическую погрешность, если Т0 = 20 °С.

4.Определить систематическую погрешность, если сопротивление подключаемых проводов будет по 5 Ом.

Решение

Исходные данные сводим в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Исходные данные

1.1.1 Схема подключения термопары к милливольтметру

Схема подключения термопары к милливольтметру приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема измерения ТЭДС милливольтметром

1.1.2 Определяем диапазон изменения напряжения на выводах милливольтметра

Определяем диапазон изменения напряжения на выводах милливольтметра при температуре свободных концов термопары, если Т0 = 0 °С, по формуле:

Uав = Е(T, T0)/(1+Rвн/Rv),                                                                (1.1)

где Е(T, T0) – ТЭДС термопары, мВ, при температуре Т горячих спаев (измерительных спаев) и Т0 – холодных спаев, °С; Rv – внутреннее сопротивление вольтметра, Ом; Rвн – сопротивление измерительной цепи, в которое входит сопротивление термопары, соединительных проводов, контактов и т.п., Ом.

По таблице П12 приложения определяем значения ТЭДС термопары ТХК(L) при 0 °С и при + 160 °С.

Е ( 0) = 0,000 мВ.

Е (+ 160, 0) = + 11,398 мВ.

Полученные значения подставляем в формулу (1.1)

Uав(0°С) = 0,000 /(1+14/190) = 0,000 мВ

Uав(+160°С) = +11,398 /(1+14/190) = 10,615 мВ.

1.1.3 Определяем диапазон изменения напряжения на выводах милливольтметра и систематическую погрешность, если Т0 = 20 °С

По таблице П9 приложения определяем значения ТЭДС термопары ТХК(L) при 0 °С и при + 160 °С , если Т0 = 20 °С

Е (0, 20) = 0,000 – 1,290 = – 3,133 мВ.

Е (+ 160, 20) = + 11,398 – 1,290 = 10,108 мВ.

Полученные значения подставляем в формулу (1.1)

Uав(0°С; +20 °С) = – 1,290/(1+14/190) = – 2,947 мВ

Uав(+160°С; +20 °С) = + 10,108/(1+14/190) = + 10,108 мВ.

DUав = Uав(–30°С; +20 °С) – Uав(–30°С) = – 1,290 – 0,000 = – 1,290 мВ.

Таким образом, в показании милливольтметра будет присутствовать аддитивная систематическая погрешность DUав = –1,290 мВ, которую необходимо учитывать при измерениях. В виде приведенной погрешности это значение составит

g = DUав/XN × 100 %,

где XN – нормализующее значение изменяемой величины.

g= 1,290/(+ 10,615 – 0,000) × 100 % = 12,1 %,

что достаточно велико.

1.1.4 Определяем систематическую погрешность, если сопротивление подключаемых проводов будет по 5 Ом

При наличии двух соединительных проводов с сопротивлением по 5 Ом каждый сопротивление измерительной цепи увеличится на 10 Ом и составит

R¢вн = 14 + 10 = 24 Ом.

Полученное значение подставляем в формулу (1.1)

U¢ав(–30°С) = 0,000/(1+24/190) = 0,000 мВ

U¢ав(+180°С) = + 11,398/(1+24/190) = 10,119 мВ.

DU¢ав = U¢ав(0°С) – Uав(0°С) = 0,000 мВ.

DU¢ав = U¢ав(+160°С) – Uав(+160°С) = + 10,119 – 10,615 = – 0,496 мВ.

Таким образом, в показании милливольтметра будет присутствовать мультипликативная систематическая погрешность, изменяющаяся в зависимости от показаний прибора следующим образом (табл. 12.4), которую необходимо учитывать при измерениях.

В виде приведенной погрешности это значение составит

g = –0%,

g = 0,496/(+10,615 - 0) ×100 = 4,67%,

что достаточно велико.

Таблица 1.2

Динамика мультипликативной систематической погрешности от наличия неучтенного сопротивления проводов

1.2 Измерение температуры с помощью термопары подключенной к потенциометру

Рассмотрим методику решения задач на примере. ТЭДС измеряется с помощью потенциометра, в котором используется нормальный элемент с ЭДС Енэ = 1,01183 В, который имеет сопротивление Rнэ.

Требуется:

1.  Изобразить принципиальную схему потенциометра.

2.  Определить значения ТЭДС для заданной термопары, если уравновешивание произошло при сопротивлениях Rр1 и Rр2.

3.  Определить погрешность потенциометра при падении ЭДС нормального элемента на величину DЕнэ

Решение

Исходные данные сводим в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Исходные данные

1.2.1 Схема подключения термопары к потенциометру

Схема подключения термопары к потенциометру приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема измерения ТЭДС потенциометром

1.2.2 Определяем значения ТЭДС для заданной термопары

Значения ТЭДС, если уравновешивание произошло при сопротивлениях Rр1 и Rр2, определяем по формуле:

Е(T, T0) = I×Rbd = Eнэ×Rbd/Rнэ,                                                          (1.2)

где I = Eнэ/Rнэ – ток в измерительной цепи ас, А;

Eнэ – ЭДС нормального (образцового) элемента питания, В;

Rнэ – сопротивление нормального элемента питания, Ом;

Rbd – часть сопротивления Rр, при котором произошло уравновешивание, Ом.

Е(T, T0)1 = 1,01183 ×0,42/190 = 0,0022367 В = 2,237 мВ.

Е(T, T0)2 = 1,01183 ×0,21/190 = 0,0011183 В = 1,118 мВ.

Для термопары ТХK(L) по таблице П8 приложения определяем значения температуры

Е(+ 283) = 2,236 мВ.

Е(+ 160) = 1,118 мВ.

1.2.3 Определяем погрешность потенциометра при падении ЭДС нормального элемента

Определяем ТЭДС при падении ЭДС нормального элемента на величину DЕнэ = 1,33 мВ по формуле (1.2)

Е¢(T, T0)1 = (1,01183 – 0,00133) ×0,42/190 = 0,00223 В = 2,238 мВ.

Е¢(T, T0)2 = (1,01183 – 0,00133) ×0,21/190 = 0,0011624 В = 1,162 мВ.

Определяем погрешность измерения ТЭДС

DЕ(T, T0)1= Е¢(T, T0)1 – Е(T, T0)1 = 2,238 – 2,237 = 0,001 мВ.

DЕ(T, T0)2= Е¢(T, T0)2 – Е(T, T0)2 = 1,162 – 1,118 = 0,044 мВ.

Погрешность является систематической мультипликативной, в относительном виде она равна:

δ1 = DЕ(T, T0)1/Е(T, T0)1×100 % = 0,001/2,237×100 % = 0,04 %.

δ2 = DЕ(T, T0)2/Е(T, T0)1×100 % = 0,044/1,118 ×100 % = 3,94%.

1.3 Измерение температуры с помощью термосопротивления, включенного в уравновешенный мост

При измерении термосопротивления с помощью уравновешенного моста известны сопротивления плеч R1 и R2, тип термосопротивления и диапазон измерения.

Требуется:

1.  Изобразить принципиальную схему уравновешенного моста.

2.  Определить полное сопротивление переменного резистора R3 и цену деления шкалы (°С/Ом).

3.  Оценить погрешность измерения температуры в верхнем пределе измерений для заданного класса допуска ТС.

4.  Определить погрешность прибора, если резисторы R1 и R2 имеют допуски ± 0,5 %.

5.  Определить погрешность измерения при наличии сопротивления проводов 0,5 Ом.

Решение

Исходные данные сводим в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Исходные данные

1.3.1 Схема подключения термосопротивления к уравновешенному мосту

Схема подключения термосопротивления к уравновешенному мосту приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема измерения термосопротивления с помощью уравновешенного моста

1.3.2 Определение полного сопротивления переменного резистора R3 и цену деления шкалы (°С/Ом)

Полное сопротивление переменного резистора R3 определяем по закону Кирхгофа:

R1R3=R2R4,                                                                                      (1.3)

откуда

R3=R2R4/ R1,                                                                                    (1.4)

При 0 °С получим

R3-0°С =6000·50/ 1300=230,8 Ом.

Значения сопротивления от температуры определяем по формулам:

платиновые в диапазоне от 0 до 600 °С

                                                                  (1.5)

в диапазоне от – 200 до 0 °С

                                         (1.6)

где αT = 3,9692 × 10-3 1/°К, αВ = 5,8290 × 10-7 1/°К2 и αС = 4,3303 × 10-12 1/°К3 – температурные коэффициенты сопротивления.

Медные в диапазоне от – 50 до + 150 °С

,                                                                            (1.7)

в диапазоне от – 100 до – 10 °С

,                                                         (1.8)

где αT = 4,28 × 10-3 1/°К и αВ = 5,4136 × 10-7 1/°К2.

При -50°С получим

Страницы: 1, 2, 3