Руководство к лабораторным работам по автоматике и автоматизации производственных процессов Часть 1 Ухта 2006
 Скачать 0.78 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Руководство к лабораторным работам по автоматике и автоматизации производственных процессов Часть 1 Ухта 2006 УДК 681.5(076.5) Я 31 Ягубов, З.Х. Руководство к лабораторным работам по автоматике и автоматизации производственных процессов Текст в 2 ч ч / З.Х. Ягубов, Е.Н. Тетенькин, Л.Ф. Тетенькина. - Ухта УГТУ, 2006. - 60 с. Руководство предназначено для студентов дневного и безотрывного обучения неэлектрических специальностей. Руководство содержит указания по организации работы студента в лаборатории, описания лабораторных работ, каждое из которых включает программу работы, указания по подготовке к ним, электростендов и методические указания по их выполнению, рекомендации по анализу результатов экспериментов и оформлению отчета по работе по требованию национальных стандартов, контрольные вопросы. Издание рассмотрено и одобрено кафедрой ЭАТП пр. №7 от г. Рецензент ст. преп. Чаадаев К.Е. Редактор доцент, к.т.н. Бычков Е.В. План г, позиция 207. Подписано в печать 15.11.2006. Объем 60 с, тираж 80 экз. Заказ № 205. © Ухтинский государственный технический университет. 2006 169300, г. Ухта, ул. Первомайская, 13. Отдел оперативной полиграфии УГТУ 169300 г. Ухта, ул. Октябрьская, 13. 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 1 Организация и порядок проведения лабораторных работ 4 2 Техника безопасности при работах в лаборатории 4 3 Общие указания по выполнению лабораторных работ 5 4 Правила оформления отчета по лабораторной работе и обработке результатов эксперимента. 7 5 Лабораторная работа №1 Исследование статических и динамических характеристик термометров сопротивления 10 6 Лабораторная работа №2 Определение частотных характеристик динамических звеньев 18 7 Лабораторная работа №3 Изучение принципа действия и калибровка манометров, преобразователей давления и перепада давления 32 8 Лабораторная работа №4 Изучение и проверка автоматического электронного моста 45 Библиографический список 55 Приложение А Образец титульного листа лабораторной работы 57 Приложение Б Градуировочные таблицы 58 Приложение В Метрологическое обеспечение 60 4 Введение Организация и порядок проведения лабораторных работ Лабораторные работы по автоматике и автоматизации производственных процессов знакомят студентов с элементами системы автоматического управления. Непосредственное участие в экспериментах вырабатывает у студентов практические навыки по методике проведения опытов и обработке результатов. Предварительная подготовка студентов к лабораторной работе и понимание ее целей и содержания – важнейшее условие. Поэтому прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы студент должен тщательно изучить содержание работы и порядок ее выполнения повторить теоретический материал, связанный выполнением данной работы подготовить таблицы с необходимым количеством граф для занесения результатов наблюдений и вычислений. При необходимости по табличным записям оформить графический материал (график, диаграмму, схемы. Лабораторная работа завершается составлением отчета и сдачей зачета по ней. Лабораторная работа засчитывается, если отчет содержит необходимые схемы, таблицы и графики, выполненные в соответствии с требованиями стандартов, и если студент ответил на вопросы преподавателя, обнаружив знания устройства и принципа измерения величины, полученные поданной работе результаты. 2. Техника безопасности при работах в лаборатории Лабораторные стенды в лаборатории общей автоматики являются действующими электроустановками, отдельные элементы которых находятся под напряжением, поэтому студенты в лаборатории должны соблюдать исключительную осторожность и правила техники безопасности 1) студент, находясь в лаборатории, должен быть предельно дисциплинированными внимательным беспрекословно выполнять все 5 указания преподавателя и лаборанта, находиться непосредственно у рабочего стенда. 2) запрещается подходить к другим стендам, распределительным щитами пультам, делать на них какие-либо включения или переключения включать схему под напряжением, если кто-нибудь касается ее неизолированной токоведущей части производить какие-либо пересоединения в схеме находящейся под напряжением оставлять без наблюдения лабораторную установку или отдельные приборы под напряжением. 3) при перемещениях движков и рукояток пускорегулирующей аппаратуры необходимо следить затем, чтобы рука была в соприкосновении только с изолированной рукояткой. 4) обо всех замеченных случаях неисправности в работе стенда и нарушений правил техники безопасности каждый студент должен немедленно доложить преподавателю. Инструктаж по технике безопасности должен быть зафиксирован в специальном журнале, где каждый студент должен расписаться. 3. Общие указания по выполнению лабораторных работ Лабораторные работы, связанные с исследованием элементов систем автоматики, отличаются большим количеством разнообразных измерений как электрических, таки неэлектрических величин. Кроме того, входе экспериментов выполняют различные регулировки и переключения. Поэтому заданная программа лабораторной работы может быть успешно выполнена в отведенное для этого время только при условии тщательной подготовки и продуманных действий всех членов бригады студентов при выполнении работы. При этом имеется ввиду не только проведение экспериментов, но и обработка полученных результатов и составление отчета по лабораторной работе. Получив разрешение преподавателя, бригада студентов приступает к выполнению лабораторной работы, вначале необходимо ознакомиться и записать в рабочую тетрадь номинальные данные исследуемого объекта, а затем выяснит 6 расположение измерительных приборов и пускорегулирующей аппаратуры, предназначенных для выполнения эксперимента. При выборе измерительных приборов необходимо руководствоваться не только соответствием предела измерения прибора наибольшему значению измеряемой величины, но и соответствием системы прибора роду измеряемых токов и напряжений. При сборке схемы нужно по возможности избегать перекрещивания проводов и на один зажим присоединять не более трех проводов. Соединения проводов должны быть надежными. Следует помнить, что отыскание нарушенного контакта часто отнимает больше времени, чем тщательное присоединение проводов. После сборки схему проверяют, при этом если сборку схемы выполнял один студент, то проверять ее должен другой. Следует, также проверить, стоят ли стрелки измерительных приборов на нулевом делении шкалы. При необходимости их положение следует подкорректировать. Собранную схему нужно показать для проверки преподавателю только сего разрешения произвести пробное включение лабораторной установки. Отсчеты по всем измерительным, приборам следует вести по возможности одновременно. Поэтому между членами бригады должны быть заранее распределены обязанности по снятию показаний измерительных приборов и регулировке лабораторной установки. Нельзя делать перерыва в начатой серии наблюдений. Если появились сомнения в правильности показания какого-либо прибора, то необходимо повторить снятие показаний по всем приборам. Покаяния записывают в заранее заготовленных таблицах с необходимым количеством граф, в точном соответствии с единицами измерений, указанными на шкале прибора. По окончании эксперимента, не разбирая схемы, выполняют все необходимые расчеты и на заранее заготовленной координатной сетке наносят точки будущих графиков и соединяют их плавной кривой линией. Затем каждый студент должен внимательно проанализировать полученные результаты эксперимента. В зависимости от правильности этих результатов преподавателю 7 дает указание либо на повторение эксперимента, либо на переход к следующему. При переходе от одного эксперимента к другому данной лабораторной работы необходимо каждый раз предъявлять преподаватели для проверки результаты опытов в виде таблиц, расчетов и графиков. 4 Правила оформления отчета по лабораторной работе и обработке результатов эксперимента Оформление отчета по лабораторной работе и обработке результатов эксперимента следует проводить при соблюдении единых правил. 4.1 Работа выполняется на компьютере текстовом редакторе (Word, для Windows или какой либо другой. Допускается и рукописное исполнение. Обязательно оформляется титульный лист, утвержденный университетом (для кафедры. Оформление текста размер бумаги А поля 30 мм – левое 10 мм – правое 20 мм – верхнее и нижнее по ГОСТ Р колонтитулы – 1.25 см шрифт Times New Roman, размер 14 межстрочное расстояние – одинарное красная строка – 1.5 см автоперенос. Требования к рисункам толщина линий не менее 1 пункта рисунки черно-белые размер шрифта текста на рисунках – не менее 12. Требования к формулам обычный символ 14 крупный индекс 9 8 мелкий индекс 7 крупный символ 12. Нумерация страниц текста работы сквозная, номер проставляется в середине верхнего поля места без точек и тире арабскими цифрами по ГОСТ Р. 4.1.2 Оформление таблиц – по ГОСТ 7.32-2001 [2] и приложению А. Оформление приложений – по ГОСТ 7.32-2001 [2] 4.1.3 Материал, дополняющий текст отчета лабораторной работы, следующий большой текст допускается приводить в приложениях графический материал, таблицы большого формата, описания приборов, библиографический список. Приложения оформляются как продолжение текста, соблюдая сквозную нумерацию страниц. 4.1.5 Чертежи, графики, диаграммы, схемы, помещенные в отчете, должны соответствовать требованиям национальных стандартов Единой системы конструкторской документации / ЕСКД: Обозначения условные графические в электрических схемах – по ГОСТ 2.755-87 [5] Выполнение диаграмм (графики, схемы) – по Р 50-77-88 [6] Обозначения условные в схемах автоматизации по ГОСТ 21.404-85 [7]. 4.2 Содержание сведений в отчете. Отчет помимо номера и названия лабораторной работы, индекса учебной группы должен содержать следующие сведения перечень измерительных приборов, пускорегулирующей аппаратуры программу лабораторной работы электрические схемы соединений таблицы с записью проведенных опытов и выполненных вычислений 9 расчетные формулы, по которым выполнялись вычисления диаграммы и графики зависимостей заключение о проделанной работе. Отчет в целом должен быть лаконичным, но чтобы его содержание было понятным без дополнительных устных пояснений. 4.3 Отчет по лабораторной работе должен содержать основные разделы цель работы программа работы подготовка к работе литература порядок выполнения работы анализ результатов лабораторной работы графический материал (графики, схемы, таблицы, формулы контрольные вопросы, общие требования. 4.4 Изложение текста и оформление – любым печатным способом или с использованием ПК, на одной стороне листа белой бумаги формата А через полтора интервала. Опечатки, ошибки и графические неточности – исправлять закрашиванием поврежденных листов, помарки и следы не полностью удаленного прежнего текста (графики) не допускаются. В конце отчета по лабораторной работе указывается Список использованных источников, на которые имеются ссылки в тексте Библиография. 10 Лабораторная работа №1 Исследование статических и динамических характеристик термометров сопротивления Цель работы №1: 1. Ознакомиться с устройством и принципом действия термометра сопротивления 2. Экспериментально получить статические и динамические характеристики термометров. 3. Определить математическую модель термометра сопротивления. 1. Теоретическая часть Измерение температуры с помощью термометров сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять электрическое сопротивление с изменением температуры ср f R (1.1) где сопротивление термометра, ср - температура измеряемой среды. Измеряя сопротивление нагретого термометра, можно определить его температуру, а следовательно, и температуру среды, в которой он находится. Параметр, характеризующий изменение электрического сопротивления с температурой, называется температурным коэффициентом электрического сопротивления. Температурный коэффициент выражается в Со или К. Для полупроводников температурный коэффициент отрицательный и на порядок больше, чему металлов 1 15 , 0 01 , 0 К Материалы, применяемые для изготовления технических термометров сопротивления, должны отвечать следующим требованиям постоянство химических и физических свойств при рабочих температурах высокая воспроизводимость свойств 11 большой температурный коэффициент электрического сопротивления линейная или близкая к линейной зависимость сопротивления материала от температуры возможно большее удельное сопротивление материала Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют следующие металлы медь, платина и никель. Медь является дешевым материалом, который может быть высокой чистоты. Сопротивление меди изменяется с температурой практически линейно t R R t 1 0 (1.2) где R t и R 0 сопротивление термометра при температуре t и 0 С температурный коэффициент медной проволоки, равный 3 1 4 , 2 8 1 КВ связи с окисляемостью меди она используется для измерения температур не выше С 200 . К числу недостатков меди относится малое удельное сопротивление мОм 10 17 , 0 . Удельное сопротивление влияет на габариты сопротивления чем меньше удельное сопротивление, тем больше нужно проволоки, чтобы намотать такое же сопротивление, тем больше габариты термометра. Медные термометры применяются для длительного измерения температуры от -200 до 200 С. Номинальное сопротивление при 0 0 С составляют 10, 50 и 100 Ом (в эксплуатации еще находятся термометры с R 0 = 53 Ом, им соответственно присвоены следующие условные обозначения номинальных статических характеристик преобразования ММ, М для термометра R 0 = 53 Ом присвоено обозначение гр. 23). Чистая платина является одним из наиболее распространенных металлов, применяемых для изготовления термометров сопротивления. Платиновые термопреобразователи сопротивления применяются для температур от -260 до 1100 С. Сопротивление платины имеет сложную нелинейную зависимость от температуры и для интервала температур от 0 до 630 Сможет быть приближенно описано выражением 12 2 0 1 t R R A t B t (1.3) Платиновые термометры сопротивления могут иметь следующие сопротивления при 0 Си Ом (в эксплуатации находятся термометры с R 0 = 46 Ом. Этим термометрам присвоены следующие условные обозначения номинальной статической характеристики преобразования П, П, П, П, Пи П (термометры с сопротивлением 46 Ом обозначаются гр. 21). Одним из недостатков платины является её загрязнение в восстановительной среде парами металлов, оксидами углерода и др. веществами. Особенно сильно это проявляется при высоких температурах. Кроме металлов для изготовления термометров сопротивления применяют также полупроводниковые материалы германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана и их смеси. Большинство полупроводниковых материалов обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и также очень большим удельным сопротивлением, поэтому можно изготавливать очень малые по размерам чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления, обладающих значительным коэффициентом преобразования. Термометры сопротивления из чистых металлов, как правило, изготавливают путем специальной намотки тонкой проволоки на каркас из изоляционного материала. Для предохранения от повреждения проволоку вместе с каркасом помещают в защитную оболочку. На рисунке 1 показано устройство платинового термометра сопротивления. На каркас 1 из слюдяной пластинки намотана платиновая проволока 2 диаметром 0,07 мм, к которой припаяны выводы 3. Намотка изолирована слюдяными накладными пластинами 4 и обвязана металлической (серебряной) ленточкой 5. Полученный таким образом пакет помещается в плоский алюминиевый вкладыша последний в алюминиевый чехол 7 с изолирующими фарфоровыми бусами 8, заложенными в стальную защитную трубку 9. Для снижения инерционности (уменьшение постоянной времени нагрева) платиновых термометров сопротивления 13 разработаны специальные конструкции. В медном термометре сопротивления медная эмалированная проволока диаметром 0,1 мм намотана в несколько слоёв на цилиндрический пластмассовый каркас, установленный в металлическую оболочку, помещенную в защитную трубку. В качестве измерительных приборов, работающих в комплекте с термометрами сопротивления, применяют логометры и уравновешенные мосты. Соединение термометров с измерительными приборами производится обычно при помощи медных электрических проводов. В данной работе исследуются статические и динамические характеристики термометров сопротивления. Статической характеристикой термометра сопротивления называется зависимость сопротивления R от температуры измеряемой Динамической переходной характеристикой термометра сопротивления называется зависимость изменения сопротивления R во времени при скачкообразном изменении температуры измеряемой среды θ cp . Рисунок 1. Платиновый термометрсопротивления: 1 каркас 2 платиновая проволока 3 выводы 4 накладные пластины 5 – ленточка 6 алюминиевый вкладыш 7 алюминиевый чехол 8 фарфоровые бусы 9 защитная трубка По своим динамическим свойствам термометр сопротивления относится к апериодическому звену и записывается дифференциальным уравнением 14 cp k R dt dR T , где Т постоянная времени К коэффициент усиления. Решение уравнения (1.4) имеет вид ) 1 ( T t cp e k R , Построенная по уравнению (1.5) переходная характеристика (РИС) представляет совой экспоненту. Из свойств экспоненты известно, что проекция на ось времени отрезка касательной, заключенного между точкой касания и точкой пересечения касательной с асимптотой, есть величина постоянная и численно равная в нашем случае постоянной времени Т. Постоянная времени определяет инерционные свойства датчика температуры и наряду с коэффициентом усиления К является важнейшей его характеристикой. По полученной экспериментально переходной характеристике можно определить значения К и Т как это показано на рисунке 2. Рисунок 2 Переходная характеристика термометра сопротивления |