учебный план по программе наладчик кипиа. НКИПИА курс лекций. Учебный план Предисловие тема системы автоматического контроля и основы метрологии
 Скачать 7.3 Mb.
|
|
Масс-спектрометрия. Преимущество масс-спектромет- рического метода — быстрый и полный анализ многоком- понентных газовых смесей. При этом для анализа тре- буются ничтожно малые количества вещества. В условиях глубокого вакуума молекулы или атомы ана- лизируемого вещества ионизируются с образованием поло- жительно заряженных ионов. Ионы, получившие ускорение в электрическом поле, разделяются по своим массам в маг- нитном поле. Сумма электрических зарядов движущихся ионов образует ионный ток. Измерение ионного тока, со- здаваемого частицами той или иной массы, позволяет су- дить о концентрации частиц в общем составе анализируе- мого вещества. В масс-спектрометре любой конструкции основной частью является масс-анализатор, в котором про- исходят ионизация, формирование ионного луча, разделе- ние его на составляющие ионные лучи, соответствующие строго определенным массам, и последовательное раздель- ное собирание ионных лучей на коллекторе. Соответственно этому масс-анализатор любого масс- спектрометра состоит из источника ионов, собственно анали- затора и приемника ионов. Магнитные поля, при помощи ко- торых ионы разделяются по массам, различны. Наиболее ча- сто применяют поля, развернутые под углом 180° к потоку электронов, и секторные — под углом 90 и 60°. Принципиальная схема масс-спектрометра для анали- за газа, иллюстрирующая разделение ионов при помощи однородного 180-градусного магнитного поля, показана на рис. 7.39. 239 Рис. 7.39. Принципиальная схема масс-спектрометра В ионизационную камеру 1, в которой создан глубокий вакуум, системой пуска вводится анализируемая газовая смесь. Молекулы газа бомбардируются пучком электронов (от раскаленного катода). Получающиеся в результате бомбардировки положительные ионы, обладающие одина- ковым положительным зарядом е, но различной массой m (для различных компонентов), имеют очень незначитель- ную начальную энергию. Под действием электрического поля, обусловленного приложенной к стенкам ионизаци- онной камеры разности потенциалов V, ионы получают ускорение и вылетают с определенной скоростью через щель ионизационной камеры. Далее ионы попадают в ка- меру 2 анализатора, где действует однородное магнитное поле с вектором напряженности Н, направленным перпен- дикулярно плоскости чертежа. В зависимости от величины Н, скорости входа ионов, т. е. от величины V, а также от величин m и е различные ионы описывают траектории раз- личных радиусов r 1 , r 2 , r 3 и т. д. При постоянных V, Н и е в выходную щель камеры 2 и далее на коллектор 3 попадают только ионы с определенным значением m. Попадая на за- земленный через сопротивление R коллектор, ионы отдают ему свои заряды. Ионный ток создает на сопротивлении R падение напряжения, которое усиливается усилителем по- стоянного тока 4 и передается на измерительный прибор 5. 240 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ Основные требования техники безопасности Техника безопасности работ включает в себя следую- щие требования: включение аппаратуры на стенде производится только под контролем преподавателя или вспомо- гательного персонала кафедры; все соединения электрических схем должны быть тщательно изолированы; не допускается сборка и разборка схемы, находя- щейся под напряжением; не разрешается оставлять приборы под напряже- нием без надзора; проверка наличия напряжения может произво- диться только соответствующими приборами; после окончания работ на стенде вся аппаратура выключается и приводится в состояние, соответ- ствующее первоначальному. Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик пирометрического милливольтметра 1.1. Цель и содержание работы 1.1.1. Цель работы. В процессе выполнения этой работы студент должен ознакомиться с устройством магнитоэлектрических пиро- метрических милливольтметров, научиться правильно ими пользоваться и оценивать их погрешность. 1.1.2. Содержание работы: 1) изучить устройство и принцип действия пиро- метрического милливольтметра по представлен- ным в лаборатории плакатам и пособиям; 241 2) определить технические характеристики приборов; 3) определить основную погрешность и вариацию; 4) сравнить полученные величины погрешностей испытуемого милливольтметра с допустимыми погрешностями, приведенными в инструкции завода-изготовителя, и дать заключение о при- годности прибора; 5) определить дополнительную погрешность, вызы- ваемую отклонением сопротивления внешней цепи от величины, на которую градуирован прибор; 6) построить график зависимости ЭДС от темпера- туры (по теоретическим и экспериментальным данным); 7) составить отчет по работе. 1.2. Краткие теоретические сведения Пирометрические милливольтметры являются электро- измерительными приборами магнитоэлектрической систе- мы. Они предназначены для измерения температуры в комплекте с термопарами, телескопом радиационного пирометра, а также для работы в комплекте автоматиче- ского электрического газоанализатора. Измерительная система пирометрического милливольт- метра состоит из постоянного магнита (1) с полюсными наконечниками (2). Неподвижного стального сердечника (5), подвижной рамки (3), спиральных пружин (6), указы- вающей системы (4) (стрелка, шкала) и добавочного со- противления (рис. Л 1.1). Чаще всего рамка крепится на кернах, которые опира- ются на подпятники из агата или рубина. Указывающие милливольтметры с рамкой на кернах изготовляют как с вертикальной, так и с горизонтальной осью враще- ния. В регистрирующих приборах рамка подвешена на тонких металлических лентах (растяжках), которые, как 242 и спиральные пружины, служат для создания противодей- ствующего момента и для подвода тока к рамкам. Рис. Л 1.1. Измерительная система пирометрического милливольтметра Принцип действия прибора основан на уравновешива- нии электромагнитного вращающего момента рамки (про- порционален току) противодействующим моментом пру- жины (пропорционален углу закручивания): М 1 = К 1 BI; M 2 = K 2 E ; K 1 B I CI , K 2 E где B — магнитная индукция; E — модуль продольной упругости; K 1 , K 2 , C — постоянные коэффициенты. Изменение B и E практически не влияет на показания приборов, т. к. с изменением температуры эти параметры меняются почти одинаково. Шкала милливольтметра рав- номерна и чувствительность его постоянна в любом месте шкалы. 243 Сила тока в цепи: I E(t;t 0 ) E(t;t 0 ) , R R p R д R вн где E(t; t 0 ) = E(t) − E(t 0 ) — разность термо-ЭДС, возника- ющих в горячем и холодном спаях термопары; R — общее сопротивление цепи; R р , R д , R вн — (сопротивление рамки, добавочное, внешней цепи); t, t 0 — температура горячего и холодного спаев термо- пары. Градуировку шкалы пирометрического милливольтметра в градусах температуры производят применительно к опре- деленной градуировке термопары и для заданного значения сопротивления внешней цепи R вн , которое указывается на шкале прибора и может быть равно 0,6; 5; 15; 25 Ом. Внутреннее сопротивление делают достаточно боль- шим, включая последовательно с рамкой дополнительную катушку сопротивления. Добавочное сопротивление R д , выполняемое из манга- ниновой проволоки, служит для подгонки диапазона шка- лы и ограничения влияния изменений температуры окру- жающей среды на показания прибора (температурный ко- эффициент сопротивления манганина низкий). 244 Рис. Л 1.2. Схема к лабораторной работе № 1 На измерительной схеме милливольтметра Ш-4051 (рис. Л 1.2) представлены следующие сопротивления: R р — сопротивление рамки; R д — добавочное сопротивление для изменения диапа- зона шкалы прибора; R т — полупроводниковое сопротивление для темпера- турной компенсации; R 0 — шунтирующее сопротивление для спрямления не- линейной характеристики. Выпускается большая номенклатура промышленных милливольтметров для измерения, записи и сигнализации температуры — разных пределов измерения, внешних ви- дов, габаритных размеров, аналоговых и цифровых. Клас- сы точности промышленных милливольтметров: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5. 245 1.3. Описание лабораторной установки На лицевой панели лабораторного стенда (рис. Л 1.3, Л 1.4) представлены: 1 — измерительная схема прибора; 2 — милливольтметр; 3 — колодка зажимов милливольтметра; 4 — декада магазина сопротивления; 5 — переключатель режима работы милливольтметра; 6 — тумблер включения питания щита; 7 — лампы, сигнализирующие наличие напряжения пи- тания и режима работы милливольтметра. При переводе переключателя 5 в положение V прибор работает как вольтметр, а в положении mV — как милли- вольтметр. Сопротивление внешней цепи милливольтметра состав- ляет 15 Ом. На лабораторном стенде оно набирается из двух последовательно включенных резисторов: постоянно- го, 10 Ом, за стендом и переменного, от 0 до 10 Ом (на стенде — декада магазина сопротивления). На приставке к лабораторному стенду находится образ- цовый прибор — потенциометр постоянного тока. 1.4. Порядок и методика выполнения работы 1.4.1. Определение технических характеристик милли- вольтметра и потенциометра и заполнение таблицы. Тип прибора Тип градуиров. Внешнее сопротивление Класс точности Предел измерения Цена деления 1 2 3 4 5 6 1.4.2. Определение основной погрешности и вариации милливольтметра. Установить корректором стрелку милливольтметра на нулевую отметку при обесточенном приборе. 246 Рис. Л 1.3. Лицевая панель лабораторного стенда (1) Рис. Л 1.4. Лицевая панель лабораторного стенда (2) Собрать схему для поверки милливольтметра в соответ- ствии с рис. Л 1.2. На магазине сопротивления набрать сопротивление, равное сопротивлению внешней цепи, на которое градуи- рован прибор. Переключатель 5 перевести в положение mV и включить питание щита тумблером 6. Поверка шкалы пирометрического милливольтметра производится путем сравнения его показаний с показания- ми переносного потенциометра ПП. Подготовить переносной потенциометр к работе. Переключатель B5 прибора установить в положение «К» и реостатом «рабочий ток» установить стрелку гальванометра на «0», вначале при нажатой кнопке «гру- бо», затем «точно». Перевести переключатель В5 в положение «И». 247 Источник регулируемого напряжения, встроенный в пере- носной потенциометр и имеющий два реостата для грубой и точной регулировки напряжения в пределах от −5 до 100 мВ, служит для создания напряжения такого же порядка, как и величина ТЭДС, развиваемая промышленными термопарами. Источником регулируемого напряжения плавно переме- стить стрелку от нулевой до конечной отметки шкалы и об- ратно. После проверки плавности хода стрелки приступить к определению основной погрешности и вариации прибора. Поверка производится по всем оцифрованным отметкам прибора, сначала при возрастающем, а затем при убываю- щем значении напряжения. Величина напряжения изме- ряется потенциометром. При этом стрелка гальванометра устанавливается на «0» вращением рукояток секционного переключателя и реохорда вначале при нажатой кнопке «грубо», а затем — «точно». Результаты измерений заносят в таблицу. По вер яем ые от м етк и ш кал ы пр ибо ра Т ЭД С п о гр ад уи ро во чн ой табл иц е Напряжение, измеряемое потенцио- метром Погрешности Вариации абсолютная пр иве ден ная абсо лют ная пр иве ден ная Пр ям ой ход Обр атн ы й ход Пр ям ой ход Обр атн ы й ход °С E 0 , мВ Е 1 , мВ Е 2 , мВ 1 , мВ 2 , мВ % мВ % 1.4.3. По полученным результатам построение графиков зависимостей E 0 (t; t 0 ) = f(t) и E 1 = f(t) или E 2 = f(t) на одних и тех же осях координат. 1.4.4. Анализ возможности переградуировки шкалы при- бора на следующие пределы измерения: 0 400 С; 0 200 С; 200 800 С. Какие из предложенных вариантов можно реа- лизовать практически? Организовать постановку опыта. 248 1.4.5. Анализ возможности совместной работы милли- вольтметра с термопарой другой градуировки. Какие из вариантов можно реализовать практически? Организовать постановку опыта. 1.4.6. Определение дополнительных погрешностей при изменении сопротивления внешней цепи на 20 % от нор- мального. Результаты записать в таблицу. R вн номинальн. E н номинальн. R вн испыт. E испыт. мВ % приведен. Примечание 1.4.5. Формирование заключения о пригодности прибо- ра к эксплуатации. 1.5. Составление отчета по следующей форме: 1) краткое описание работы (цель, содержание, ха- рактеристики приборов); 2) одна из схем (принципиальная, измерительная); 3) таблицы поверки; 4) графики; 5) заключение о пригодности прибора. 1.6. Контрольные вопросы 1. Почему при измерении термо-ЭДС пирометриче- скими милливольтметрами необходимо подго- нять сопротивление внешней цепи? 2. Каково значение спиральных пружин? 3. Что такое класс точности прибора? 4. Какие способы крепления подвижных рамок мил- ливольтметра вам известны? 5. Опишите конструкцию милливольтметра. 6. Опишите конструкцию чувствительного элемента. 7. Любую ли термопару можно подключить к дан- ному милливольтметру? 249 Лабораторная работа № 2. Исследование характеристик автоматического потенциометра 2.1. Цель и содержание работы 2.1.1. Цель работы. Целью работы является освоение техники теплотех- нических измерений и закрепление знаний по разделу «Потенциометры». 2.1.2. Содержание работы. Студент должен: 1) ознакомиться со схемой и работой лабораторной установки и ее элементов; 2) научиться пользоваться потенциометром типа ПП; 3) изучить принцип действия поверяемого электрон- ного потенциометра в комплекте с термопарой (отдельных узлов и их функциональной связи); 4) произвести поверку автоматического потенцио- метра и сделать заключение о пригодности при- бора. 2.2. Краткие теоретические сведения 2.2.1. Термопары. В основу измерения температуры с помощью термопар положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или более разно- родных проводников, возникает электрический ток, если хо- тя бы два места соединения (спая) проводников имеют раз- личную температуру. Цепь, состоящая из двух разнородных проводников, назы- вается термопарой. Спай, имеющий температуру t, называет- ся горячим, или рабочим, а спай, имеющий постоянную тем- пературу t 0 — холодным, или свободным (рис. Л 2.1). 250 Рис. Л 2.1. Схема к лабораторной работе № 2 (1) Рис. Л 2.2. Схема к лабораторной работе № 2 (2) Проводники называются термоэлектронами. Термо-ЭДС термопары E AB (t;t 0 )= f (t) при условии t 0 = const. Термопара градуируется при определенной постоянной температуре холодного спая (обычно при t 0 = 0 °C, реже при t 0 = 20 °C). При измерениях температура холодного спая может быть иной, не равной температуре градуировки. В этом случае необходимо вносить поправку. Любая пара разнородных проводников может образо- вать термопару, однако не всякая термопара будет пригод- на для практического применения, так как современная техника предъявляет к материалам термоэлектронов опре- деленные требования: 1) устойчивость к воздействию температур; 2) постоянство термо-ЭДС во времени; 3) возможно большая величина термо-ЭДС и одно- значная зависимость от температуры; 4) небольшой температурный коэффициент электри- ческого сопротивления и большая электропрово- димость; 251 5) воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающая взаимозаменяемость термопар. По ГОСТ на технические термопары с металлически- ми термоэлектродами можно выделить пять основных ти- пов термопар: ТПП — платинородий-платиновая термопара, ТПР — платинородий-платинородиевая термопара, ТХА — хромель-алюмелевая термопара, ТНС — термопара из сплава НК-СА, ТХК — хромель-копелевая термопара. Стандартные термопары ТХА, ТНС, ТХК изготовляют- ся из проволоки диаметром 0,7–3,2 мм и изолируются ке- рамическими бусами. Термопары ТПП и ТПР изготовляются обычно в виде проволоки диаметром 0,5 и 1 мм, которая изолируется бу- сами или фарфоровыми трубками. 2.2.2. Потенциометры. В качестве вторичных приборов в комплекте с термопа- рами используются пирометрические милливольтметры и потенциометры. Потенциометры делятся на переносные, лабораторные и автоматические. В потенциометрах используются компенсационный ме- тод измерения, состоящий в уравновешивании измеряемо- го напряжения известной разностью потенциалов, снимае- мой с калиброванного сопротивления. Цепь потенциометра (рис. Л 2.2) состоит из двух за- мкнутых цепей, имеющих общее сопротивление участка реохорда. В каждой цепи имеется свой источник ЭДС — E 1 и E 2 Реохорд R Р — строго калиброванная по сопротивлению проволока. 252 В цепь источника E 2 (термопары) включен чувствитель- ный нуль-гальванометр, представляющий сопротивле- ние R Т В эту же цепь включено сопротивление R П , представ- ляющее собой сопротивление всех подводящих проводов и переходных сопротивлений в соединениях. Ток на участке реохорда I c = I 1 + I 2 Передвигая точку b по реохорду, можно найти положение движка, при котором I 2 = 0 (стрелка нуль-гальванометра в нулевом положении). В этом случае числитель выражения будет равен 0. E 2 − I 1 R ав = 0 или E 2 = I 1 R ав Но I 1 R ав = U ав представляет собой падение напряжения на участке реохорда ab от источника тока Е 1 Так как величины E 1 и R ас постоянны и известны, а ве- личина R ав отсчитывается по шкале реохорда то, зная по- ложение движка реохорда, соответствующее моменту ком- пенсации, нетрудно определить значение E 2 Обычно у лабораторных и переносных потенциометров шкала реохорда градуируется непосредственно в милли- вольтах. Измеряемая потенциометром ЭДС (E 2 ), при условии, что I 2 = 0, равна падению напряжения на участке реохорда ab от источника E 1 и не зависит ни от сопротивления со- единительных приборов, ни от переходных сопротивле- ний. Это положение представляет большое преимущество компенсационного метода измерения ЭДС. 253 Рис. Л 2.3. Схема к лабораторной работе № 2 (3) Так как ЭДС источника E 1 в процессе его разряда уменьшается, то в потенциометре предусматривается воз- можность регулировки тока в цепи источника питания E 1 С этой целью в цепи источника питания E 1 (рис. Л 2.3) кроме реохорда включены регулировочное сопротивле- ние R рег и сопротивление R нэ , предназначенные для уста- новки рабочего тока. Периодически для проверки рабочего тока переключатель П ставят в положение К, подключая при этом к точкам da нормальный элемент НЭ вместе с последовательно включенным нуль-гальванометром Н/Г. Обычно в качестве эталона ЭДС принимают нормаль- ный элемент Вестона, который при 20 °С развивает ЭДС, равную 1,0185 В. Ток в цепи источника питания регулируется сопроти- влением до тех пор, пока падение напряжения на R нэ не будет равным ЭДС нормального элемента. При этом стрелка нуль-гальванометра станет на нулевую отметку шкалы. После нормализации тока переключатель П ставят в положение И и измеряют ЭДС, развиваемую термопарой. 254 В автоматических потенциометрах компенсация осу- ществляется с помощью электромеханической следящей системы: в ней рассогласование между измеряемым напря- жением и компенсирующей разностью потенциалов исполь- зуется в качестве управляющего сигнала для исполнитель- ного механизма (реверсивного двигателя), перемещающего движок калиброванного реохорда. В момент отсчета ком- пенсация является полной, и о величине измеряемого напряжения судят по положению движка реохорда. На рис. Л 2.4 дана принципиальная схема электронного автоматического потенциометра. Измерительная схема представляет собой мост, образо- ванный четырьмя резисторами R 1 , R 2 , R 4 , R 8 и реохордом R 5 с шунтом R 6 и подгоночным сопротивлением R 7 В диагонали ab последовательно с ЭУ включен термо- преобразователь T. Включение выполнено через фильтр служащий для уменьшения влияния наводок от электро- магнитных полей в цепи термопары. В другую диагональ моста cd включен источник стабилизированного питания ИПС, обеспечивающий постоянство рабочего тока в изме- рительной схеме. Если измеряемая ТЭДС E(t; t 0 ) полностью компенсируют- ся разностью потенциалов U ав на вершинах моста ab, то напряжение на входе в усилитель равно нулю: U = E(t; t 0 ) − – U ав = 0. При изменении измеряемой ТЭДС возникает напряжение разбаланса постоянного тока, которое, поступая в ЭУ, преобразуется в напряжение переменного тока и уси- ливается до величины, достаточной для приведения в дей- ствие реверсивного двигателя М 1 . Направление вращения ротора РД зависит от знака разбаланса U, т. е. от того, в ка- кую сторону изменяется напряжение ТЭДС. 255 Рис. Л 2.4. Лицевая панель лабораторного стенда РД с помощью механической передачи (шкива и троса) передвигает движок реохорда до достижения компенсации и одновременно перемещает каретку указателя с пером или печатающей головкой. После установления равновесия в измерительной схеме напряжение разбаланса на входе в усилитель исчезает и двигатель останавливается. Таким образом, каждой измеря- емой ТЭДС соответствует определенное положение движка реохорда и указателя на шкале потенциометра. Резистор R 1 изготавливается из медной проволоки и слу- жит для автоматической компенсации температуры свобод- ных концов термопары. С этой целью он располагается на клеммной панели прибора, в том месте, где подклю- чаются термоэлектродные провода. Изменение, например, увеличение температуры свободных концов, вызывает одно- временное снижение развиваемой термопарой ТЭДС и уве- личение сопротивления R 1 . При этом падение напряжения 256 на R 1 увеличивается и происходит уменьшение U ав , которое компенсирует соответствующее снижение ТЭДС. Резистор R 8 — для настройки конца шкалы. Рези- стор R 4 предназначен для начала шкалы потенциометра, ре- зисторы R 6 и R 7 — для подгонки сопротивления реохорда с учетом градуировки термопары и диапазона измерений. СД-М 2 служит для привода механизма передвижения диа- граммы. |