ВВЕДЕНИЕ. Кафедра автоматизации

Кафедра автоматизации

Производственных процессов

М Е Т О Д И Ч Е С К И Е У К А З А Н И Я

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ

«МЕТРОЛОГИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ»

для студентов, обучающихся по учебному плану бакалавров

направления подготовки 6.050202 всех форм обучения

Утверждено

советом специальности 8.092501

Протокол №2 от 30.11.2010 г.

Одесса ОНАХТ 2010

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Метрология, технологические измерения и приборы» для бакалавров студентов, обучающихся по учебному плану бакалавров специальности 7.092500 всех форм обучения / Сост. В.Г. Муратов – Одесса: ОНАПТ, 2010. - 63 с.

Составитель В.Г. Муратов, к.т.н., доцент

Ответственный за выпуск

Зав. кафедрой АПП Э.И. Жуковский, д.т.н., профессор

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Метрология, технологические измерения и приборы (МТИП)» входит в комплекс программ непрерывной подготовки бакалавров по специальности 6.050202 «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии» и формирует базу знаний для освоения дисциплин «Проектирование и монтаж систем автоматизации», «Автоматизация технологических процессов отрасли» и др.

Лабораторный практикум является неотъемлемой частью курса МТИП, играет большую роль в учебном процессе и выполняется в течение 4 и 5 семестров обучения. Целью лабораторного практикума является закрепление теоретических знаний, полученных студентами при изучении дисциплины, а также приобретение практических навыков по проверке работоспособности, настройке и устранению типовых неисправностей средств измерительной техники (СИТ).

Лабораторные работы охватывают основные современные методы и средства измерения важнейших параметров технологических процессов пищевых производств.

В соответствии с тематикой содержательных модулей рабочей программы курса МТИП практикум предусматривает три цикла лабораторных работ.

Первый цикл (Модуль 2) включает в себя изучение средств измерения линейных и угловых перемещений, температуры и давления.

Второй цикл (Модуль 3) – изучение СИТ уровня, расхода и анализа состава жидкости.

Третий цикл (Модуль 4) – изучение СИТ влажности, тепловой энергии и измерительно-информационных систем.

Студенты допускаются к выполнению лабораторных работ после обязательного прохождения инструктажа по технике безопасности, что должно быть подтверждено росписью студента в специальном журнале.

МОДУЛЬ 2: Измерение перемещений, усилий, скорости, давления и температуры.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1.

Изучение индукционных первичных измерительных преобразователей перемещения

1.Цель работы.

Целью работы является изучение принципа действия индукционных ПП перемещения и экспериментальное получение их статических характеристик.

2. При выполнении лабораторной работы студент должен:

Знать: цель и содержание предстоящей работы, порядок ее выполнения и основные теоретические положения по данной теме.

Уметь: пользоваться измерительными приборами лабораторного стенда.

3. Общие положения

Индуктивные первичные измерительные преобразователи (ПП) перемещения, нашли широкое применение в промышленности. Такие ПП с дифференциальной схемой включения вторичных обмоток используют в качестве промежуточных преобразователей при измерении перемещений, давлений, расходов и других технологических параметров.

На рис.1 показаны индукционные ПП, имеющие одну первичную 1 и две вторичные 11а, 11б обмотки.

Х

а) б)

Рис. 1. Индукционные ПП перемещения

Конструктивно обмотки размещают на неподвижной части 1 (рис.1а) якоря ПП, изготовленного из трансформаторной стали, либо на катушке 1 (рис.1б) из немагнитного материала, внутри которой перемещается стальной сердечник 2.

При встречно-последовательном включении вторичных обмоток IIa, IIб, как показано на рис.2, выходное напряжение равно разности индуцируемых в этих обмотках напряжений: U_ВЫХ =U_IIА – U_11Б, что обеспечивает фазочувствительность ПП к измеряемому перемещению Х. Индукционные преобразователи с дифференциальным включением вторичных обмоток получили название дифференциально-трансформаторных ПП или дифтрансформаторов.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема дифференциально -трансформаторного ПП перемещения

В среднем положении чувствительного элемента ПП (сердечника либо подвижной части якоря) U_ВЫХ = 0. При смещении чувствительного элемента в сторону возрастает амплитуда U_ВЫХ с одновременным сдвигом фазы j выходного напряжения относительно входного U_ПИТ, а знак j определяется направлением перемещения чувствительного элемента.

4. Контрольные вопросы

4.1 Область применения индукционных ПП перемещения?

4.2 Устройство и принцип действия индукционных ПП перемещения?

4.3Устройство и принцип действия дифференциально-трансформаторных ПП перемещения?

5. Описание лабораторного стенда.

На панели стенда, приведенной на рис.3, расположены исследуемый диффе

Рис. 3. Панель лабораторного стенда

ренциально-трансформаторный ПП1 линейного перемещения Х, задаваемого винтом-задатчиком 1 и измеряемого микрометром 2; исследуемый индуктивный ПП2 с мостовой схемой включения обмоток, винтом-задатчиком 1 перемещения Х и микрометром 2.

На панели стенда предусмотрен ключ выбора режима, который к клеммным разъемам 3 и 4 подключает, соответственно, питающее напряжение U_ПИТ и выходное напряжение U_ВЫХ исследуемого ПП. К этим клеммам при помощи проводов подключают двухлучевой осциллограф 5.

В положении «1» ключа стенд выключен. В положении «ПП1» включается внутренний источник питания стенда от которого к клеммам 3 на первичную обмотку ПП1 подаётся напряжение 24В. В этом режиме выход этого датчика подключается к клеммам 4. В положении «ПП2» ключа включается источник питания, подающий напряжение 24В в измерительный мостиндукционного ПП2 и одновременно кклеммам 3. При этом выходная диагональ измерительного моста ПП2 подключена к клеммам 4.

6. Порядок выполнения работы

Изучите рекомендованную литературу, ознакомьтесь с лабораторным стендом, приготовьте таблицы для записи результатов наблюдений. После разрешения преподавателя приступайте к работе.

6.1 Исследование дифференциально - трансформаторного ПП

6.1.1 Включите осциллограф тумблером «Сеть».

6.1.2 К клеммам 3 и 4 стенда подключите оба входа осциллографа 5 (рис.3).

6.1.3 Поворотом ручки винта – задатчика 1 перемещения сместите сердечник ПП1 в среднее положение, при котором U_ВЫХ = 0 (нижняя синусоида на экране осциллографа должна представлять собой почти прямую линию). Показания микрометра 2 при этом установите на нулевое значение, вращая его шкалу.

6.1.4 Вращая ручку винта – задатчика 1, переместите сердечник ПП1 до упора в одну, а затем в другую сторону, фиксируя с помощью осциллографа в протоколе значения амплитуды U_ВЫХ и фазы j с шагом, равным Х=0,5мм. (по микрометру). Если фазы напряжения первичной обмотки и выходного напряжения ПП1 совпадают, то напряжения на выходе считать положительными, если фазы противоположны – отрицательными. Убедитесь в том, что при переходе сердечника через центральное положение фаза выходного напряжения датчика меняется.

6.2 Исследование индуктивного ПП2 с мостовой схемой включения обмоток

6.2.1–6.2.4. Действия аналогичны п.п. 6.1.1 – 6.1.4 при работе с диффтрансформаторным датчиком. Но здесь в среднем положении сердечника не требуется

устанавливать показания микрометра в ноль.

6.3 После окончания работы выключите все приборы из сети»220 В.

7. Обработка результатов опытов

По данным протокола для каждого из рассмотренных ПП перемещения:

7.1.1 Постройте график зависимости амплитуды выходного напряжения U_ВЫХ

(вольт) от величины перемещения Х (мм) сердечника ПП: U_ВЫХ=f(Х).

7.1.2 Постройте график зависимости сдвига фазы j (радиан) выходного напряжения ПП от перемещения Х (мм) его сердечника: j = f(Х).

7.1.3 Определите диапазон перемещения Х сердечника, в котором рабочие части характеристик U_ВЫХ=f(Х) и j = f(Х) можно считать линейными. В качестве критерия линейности принять величину отклонения экспериментально полученных характеристик от прямой линии, которое не должно превышать 1%

8. Оформление протокола.

8.1 На титульной стороне двойного листа укажите Ф.И.О. студента, группу, наименование лабораторной работы и дату ее выполнения.

8.2 Кратко опишите стенд, цель и порядок выполнения работы.

8.3 Приведите результаты наблюдений в табличном и графическом виде и сделайте выводы по полученным результатам.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2

Изучение оптических первичных измерительных преобразователей перемещения

1. Цель работы

Целью работы является изучение принципа действия оптических ПП перемещения и экспериментальная проверка их работоспособности.

2. При выполнении лабораторной работы студент должен:

Знать: цель и содержание предстоящей работы, порядок ее выполнения и основные теоретические положения по данной теме.

Уметь: пользоваться измерительными приборами лабораторного стенда.

3. Общие положения

Оптические ПП перемещения с дискретным выходным сигналом применяют для бесконтактного контроля количества штучной продукции (бутылок, упаковок, коробок, мешков…), скорости вращения валов и т.д.

Различают диффузионные, разнесенные и рефлекторные оптические ПП перемещения [см. Конспект лекций по МТИП: Модуль 2, §6.7].

Диффузионные ПП (рис. 4а) в малогабаритном корпусе 1 содержат светодиодный источник 2 и фотодиодный приемник 3 инфракрасного излучения. Они связанны с микросхемой дискретного преобразователя 4, который обычно имеет светодиодный сигнализатор 5 своего срабатывания.

ПП устанавливают перпендикулярно направлению движения контролируемой штучной продукции 6 на требуемом от нее удалении. В зависимости от типа ПП это удаление может составлять от нескольких сантиметров до десятков метров.

При своем движении тело 6 попадает в поперечный поток инфракрасного света, излучаемого источником 2. Часть потока отражается от тела и попадает на

Uпит Uвых

а) б)

Рис. 4 Оптические ПП перемещения

а) - диффузионный; б) – разнесенный

чувствительный элемент 3, что вызывает срабатывание электронного реле 4. При этом его выходной сигнал становится равным уровню логической «1». В этом случае в корпусе ПП загорается светодиодный индикатор 5, сигнализирующий о фиксации очередного движущегося тела.

Когда тело выходит из зоны действия ПП, отраженный световой поток снижается до нуля, что приводит к обратному срабатыванию реле 4 и выходной сигнал ПП становится равным логическому «0». Светодиод 5 гаснет.

Разнесенные ПП получили название из-за своей конструкции, где контролируемое тело проходит между источником и приемником света, разрывая при этом световой поток. При этом источник и приемник монтируют как в отдельных корпусах так и в одном, как показано на рис. 1б.

Здесь корпус 1 ПП имеет прорезь, вдоль которой проходит поток контролируемой штучной продукции 5. С обеих сторон прорези соосно установлены источник 2 (светодиод) и приемник 3 (фотодиод) инфракрасного света, связанные со схемой дискретного преобразования 4. При прохождении очередного тела 5 вдоль прорези световой поток от источника к приемнику прерывается и электронное реле 4 вырабатывает выходной сигнал, соответствующий логической «1». Когда тело 5 выходит из прорези, световой поток от источника 2 к приемнику 3 возобновляется, происходит обратное срабатывание ПП, выходной сигнал которого скачком снижается до уровня логического «0».

Встроенные в ПП дискретные преобразователи 4 имеют контактную или бесконтактную схему передачи выходного сигнала ко вторичному прибору, например, счетчику импульсов, который фиксирует общее количество прошедших единиц продукции.

Контактный выход ПП обычно реализуют на основе схемы типа «сухой контакт» встроенного в ПП выходного электромагнитного, часто герконового реле.

Бесконтактный выход ПП осуществляют использованием в оконечном каскаде ПП выходного транзистора, тиристора или симистора.

4. Контрольные вопросы

1. Конструкция, структурная схема и принцип действия диффузионного оптического ПП перемещения?

2. Конструкция, структурная схема и принцип действия разнесенного оптического ПП перемещения?

3. Схемы выработки и передачи дискретного выходного сигнала ПП?

5. Описание лабораторного стенда

Общий вид лабораторного стенда показан на рис. 5. На стенде размещены

Рис. 5 Лабораторный стенд для изучения первичных измерительных преобразователей перемещения: ПП3 – механоэлектрического (путевого выключателя); ПП4 – оптического диффузионного; ПП5- оптического разнесенного). СИ – микропроцессорный счетчик импульсов ТЕРА (расходомер); БП-RS – преобразователь интерфейса; SL – лампа стробоскопа; RР – Задатчик скорости вращения диска. Выключатели: 1 – питания стенда от сети ~220 В; 2 – включения напряжения =12 В подачи контрольных импульсов; 3 – ручного ввода контрольных импульсов в СИ; 4 – начала (окончания) автоматического ввода измерительных импульсов в СИ; 5 – счетчика СИ; 6 – блока питания (преобразователя интерфейса) БП-RS; 7 – электропривода диска (стробоскопа); 8 – электромеханического счетчика импульсов (ЭМСИ) 9 – электропривода транспортера.

датчики перемещения с дискретным выходным сигналом: электро-механический (ПП3), оптический диффузионный (ПП4) и оптический разнесенный (ПП5). ПП3 и ПП4 предназначены для учета количества проходящей по транспортеру единичной продукции. ПП5 служит для измерения скорости вращения вала двигателя. Для этого на валу установлен диск стробоскопа, освещаемого лампой SL работающей от сети ~220В, 50Гц.

Стенд включают в сеть при помощи выключателя 1. Затем тумблером 5 включают микропроцессорный счетчик СИ, тумблером 6 – блок питания БП-RS, связывающий СИ с персональным компьютером. Электромеханический счетчик ЭМСИ, работающий в комплекте с ПП3, включают тумблером 8. Транспортер включают тумблером 9 «Транспортер». Для включения электродвигателя, вал которого оборудован стробоскопом, используют тумблер 7 «Диск». Скорость вращения диска стробоскопа регулируют потенциометром RP «Скорость диска».

Электромеханический датчик ПП3, представляющий собой путевой микровыключатель, срабатывает при прохождении очередной единицы продукции. При этом засвечивается встроенный в него светодиод. ПП3 связан с электромеханическим счетчиком ЭМСИ, основным элементом которого является электромагнитное реле. Реле срабатывает при поступлении на его обмотку очередного измерительного импульса от ПП3. При каждом импульсе шток реле проворачивает вал отсчетного устройства, изменяя показания счетчика.

Оптические датчики ПП4, ПП5 подключают к микропроцессорному счетчику импульсов СИ при помощи переключателя режимов, имеющего три положения.

В положении «Ручное» на вход счетчика СИ подключают источник контрольных импульсов. Для этого тумблером 2 «Руч» включают источник напряжения =12В постоянного тока и при нажатии кнопки 3 «Ввод» подают на вход СИ очередной контрольный импульс.

В положении «ПП4» переключателя режимов к счетчику СИ подключают оптический диффузионный датчик количества единичной продукции, проходящей по транспортеру. Подачу измерительных импульсов от ПП4 осуществляют при нажатой кнопке 4 «Измерение». Для окончания процесса измерения кнопку 4 отжимают.

В положении «ПП5» переключателя режимов к счетчику СИ подключают оптический разнесенный датчик скорости оборотов вала двигателя. Прохождение очередного отверстия диска восстанавливает в ПП5 световой поток от его источника к приемнику света, что вызывает выработку выходного измерительного импульса на выходе датчика. Выходные импульсы ПП5 попадают на вход счетчика СИ при нажатой кнопке 4 «Измерение».

5. Порядок выполнения работы

5.1 Проверка работоспособности систем учета единичной продукции

>

˄

Включите стенд в сеть ~220В тумблером 1. После этого тумблером 5 включите счетчик импульсов СИ, тумблером 8 – счетчик ЭМСИ, тумблером 6 – блок БП-RS и включите персональный компьютер (ПК) в сеть.

Обнулите показания счетчика СИ, одновременно нажав кнопки. на его лицевой панели. Установите переключатель режимов в положение «Ручное», затем тумблером 2 и кнопкой 3 подайте контрольные импульсы на вход счетчика СИ. Убедитесь в его работоспособности.

Вновь обнулите показания счетчика СИ. Установите переключатель режимов в положение «ПП4» и нажмите кнопку 4 «Измерение». Нажмите также кнопку на лицевой панели ЭМСИ, обнулив его показания, и тумблером 8 включите этот счетчик в работу.

Зафиксируйте место положения шва транспортерной ленты и, включив/выключив тумблером 9 транспортер, обеспечьте 3 – 5 полных оборотов этой ленты. Зная, что на ленте транспортера установлено 27 единиц продукции, подсчитайте количество, которое прошло через датчики ПП3 и ПП4.

Сравните полученные при этом показания ЭМСИ, СИ и ПК с результатами расчета.

5.2 Проверка работоспособности системы контроля скорости вращения вала

Обнулите показания счетчика СИ и установите переключатель режимов 4 положение «ПП5».

Тумблером 7 «Диск» включите электродвигатель диска и лампу стробоскопа. Регулятором RP «Скорость диска» установите максимальную скорость вращения вала электродвигателя, когда изображение делений одной из окружностей стробоскопа «остановится».

Измерьте при этом скорость вращения вала. Для этого одновременно засеките по секундомеру время и нажмите кнопку 4 «Измерение», подав сигнал от ПП5 на вход счетчика СИ. Через 180 секунд завершите процесс измерения, для чего одновременно зафиксируйте отсчет времени и отожмите кнопку 4.

По показаниям счетчика СИ рассчитайте скорость вращения вала электродвигателя, зная, что диск содержит 1 отверстие, что соответствует 1 выходному импульсу ПП5 за один оборот вала.

Сравните полученный результат с заданным значением, которое указано на соответствующей окружности стробоскопа.

Повторите измерение скорости вращения вала при двух других заданных стробоскопом значениях.

7. Обработка результатов опытов

По данным протокола наблюдений определите величины абсолютных погрешностей измерения числа единичной продукции при помощи ПП3, ПП4 и сделайте выводы об их работоспособности.

По данным протокола наблюдений рассчитайте абсолютную погрешность измерения для каждой из заданных скоростей вращения вала. Сделайте выводы о работоспособности ПП5.

8. Оформление протокола.

8.1 На титульной стороне двойного листа укажите Ф.И.О. студента, группу, наименование лабораторной работы и дату ее выполнения.

8.2 Кратко опишите стенд, цель и порядок выполнения работы.

8.3 Приведите результаты наблюдений в табличном и графическом виде и сделайте выводы по полученным результатам.