Розроблення метрологічного забезпечення системи автоматичного контролю температури t середовища з допомогою манометричного газового те

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсова робота

з курсу «Метрологія, стандартизація, сертифікація та акредитація»

на тему: «Розроблення метрологічного забезпечення системи автоматичного контролю температури t середовища з допомогою манометричного газового термометра»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зміст

Вступ  …………………………………………………………………………….. 3

1. Структурна схема САК……………………………………………………….. 6

2. Розрахунок вихідного сигналу ПВП та побудова графіку його статичної характеристики в заданому діапазоні зміни вхідного параметру ……………..7

3. Опрацювання результатів спостережень……………………………………...9

3.1 Усунення промахів……………………………………………… ………….. 9

3.2 Обчислення результату вимірювання та оцінки середнього квадратичного відхилення результатів ………………………………………………………… 11

3.3 Перевірка належності результатів до нормального закону……………….13

3.4 Розрахунок випадкової складової похибки вимірювання ПВП…………. 16

3.5 Розрахунок систематичної складової похибки вимірювання ПВП………17

3.6 Розрахунок сумарної похибки вимірювання ПВП………………………...18

4. Розрахунок сумарної похибки вимірювання САК. Присвоєння класів

     точності …………………………………………………………….……….. 19

5. Схема установки для перевірки та градуювання САК …………………… 22

6. Висновки ………………………..………………...…………………….…… 23

 

Вступ

 

Манометричні термометри — прилади для вимірювання  температури, що включають в себе чутливий елемент (термобалон) і показуючий пристрій, які з’єднані капілярною трубкою і заповнені робочою речовиною. Принцип дії заснований на зміні тиску робочої речовини в замкненій системі термометра в залежності від температури.

У залежності від агрегатного  стану робочої речовини розрізнюють  манометричні термометри:

- рідинні (ртуть, ксилол, спирти);

- газові (азот, гелій);

- конденсаційні;

У залежності від виду робочої  речовини термометра межі вимірювання  температури складають від –50 до +1300°C. Початковий тиск в газових термометрах залежить від рівня температури і становить зазвичай 0,98 – 4,9 Мпа. Чим вища температура, тим нижчий тиск і навпаки.

Манометричні термометри виготовляють показуючи і самопишущі. Також манометричні термометри виготовляють з додатковим механізмом для сигналізації чи регулювання температури, оскільки їх часто використовують у вибухонебезпечних виробництвах. Деякі типи манометричних термометрів мають перетворювач з вихідним уніфікованим струмовим чи пневматичним сигналом.

Спрощену будову манометричного термометра зображено на рисунку 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1: манометричний термометр

 

1 – термобалон, який опускається в середовище, температуру якого потрібно виміряти;

2 – капіляр;

3 – манометрична пружина,  один кінець якої з’єднаний з капіляром, а другий через передавальний механізм з’єднаний із стрілкою показую чого пристрою;

Термобалон заповнений робочою речовиною під деяким початковим тиском. При його нагріванні збільшується тиск речовини в замкнутій герметизованій термосистемі, в результаті чого манометрична пружина деформується (розкручуються) і її вільний кінець переміщається. Рух цього вільного кінця пружини через передавальний механізм спричиняє рух стрілки відносно шкали приладу.

Розглянемо детальніше газові манометричні термометри. В якості робочої речовини в цих термометрах  найчастіше використовують азот. Газові манометричні термометри призначені для вимірювання температури від –200 до +600⁰C. Перед заповненням всієї термосистеми термометра азотом термосистема і газ повинні бути добре просушені. Довжина з’єднувального капіляра цих термометрів 0,6-60м.

Залежність тиску газу в термобалоні від температури при постійному його (газу) об’ємі має наступний вигляд:

;  

 – тиск газу в термосистемі при температурі t;

-тиск газу  при температурі 0°С;

β – термічний коефіцієнт тиску газу;

При зміні температури  газу в термобалоні термометра від t_н до t_к буде змінюватись і тиск газу по відношенню до виразу:

;

Р_н і Р_к – тиск газу при температурі, відносно початку t_н і кінця t_к шкали термометра.

Здійснивши над цими двома  виразами деякі перетворення ми отримаємо  вираз:

;

З цього виразу видно, що тиск газу в термобалоні прямо пропорційний значенню початкового тиску і діапазону вимірювання приладу. Треба відмітити, що при збільшенні температури термобалона термометра об’єм термосистеми його збільшується в основному за рахунок розширення термобалона і збільшення об’єму порожнини манометричної пружини. При збільшенні температури газу, а разом з цим і його тиску відбувається частинне перетікання газу з термобалона в капіляр і манометричну пружину. При зниженні температури газу в термобалоні буде відбуватись зворотній процес. В зв’язку з цим при вимірюванні температури газовим термометром постійність об’єму газу в термосистемі не зберігається. Тому залежність між тиском газу в термосистемі і його температурою несильно відрізняється від лінійної залежності і тиску газу в термосистемі при температурі t_к , буде менше вирахуваного за формулою. Проте ця нелінійність залежності між P і t не грає великої ролі і шкала газового термометра виходить практично рівномірною.

Похибки у газових манометричних  термометрів виникають за рахунок  впливу барометричного тиску та температури  навколишнього середовища. Для зменшення  похибки від температури збільшують діапазон або довжину термобалона (d_max=400mm; l=5, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 30 mm).

Перевагами манометричних  термометрів є: проста конструкція, висока механічна міцність, надійність, практично не потребують обслуговування, розвивають великі зусилля та придатні для побудови регуляторів прямої дії і записуючих пристроїв.

Недолік: при стикуванні з електричними сигналами потрібні додаткові перетворювачі, в результаті падає точність.

 

Система автоматичного  контролю (САК)

 

 

 

 

1-первинний вимірювальний перетворювач (ПВП). У нашому випадку використовується газовий    манометричний термометр типу ТП14.

2-проміжний перетворювач (ПП). Призначений для перетворення вихідного пневматичного сигналу з ПВП в струмовий уніфікований сигнал. У даній САР, як ПП використовуватимо Сапфір - 22 ДІ з діапазоном вимірювання 0 – 4 МПа.

3-вторинний прилад (ВП). Призначений для прийому уніфікованого струмового сигналу з ПП запису і показу результатів. Для цього скористаємось показуючим і реєструючим автоматичним міліамперметром типу  КСУ -4.

 

2. Розрахунок вихідного  сигналу ПВП та побудова графіку  його статичної характеристики  в заданому діапазоні зміни  вхідного параметру.

 

Початкові дані САК: діапазон вимірювання t=50-200 °С; термобалон заповнений азотом; початкова температура t_п =50 °C; початковий тиск .

Математична залежність P=f(t):

 

 – початковий тиск;

t=200 °C=473.15 K – температура;

t_п =50 °C=323.15 K – початкова температура;

 

 

 

За цією математичною залежністю обчислимо значення P для температури кінця діапазону вимірювання (50 – 200 °С), тобто для значення 200 °С. Для обрахунку значення P, яке відповідає кінцю діапазону вимірювання та побудови статичної характеристики ПВП використаємо наступну програму в середовищі Matlab:

 

Pp=2;

t1=[50:1:200];

t=273.15+200;

tp=273.15+50;

be=0.003643737;

P=Pp.*(1+(be.*(t1-tp))./(1+be.*tp))

plot(t1,P); grid;

 

В результаті виконання програми отримаємо:

- тиск, який відповідає кінцю діапазону вимірювання (200 °C)

 

 

Статична характеристика ПВП в заданому діапазоні зміни  вхідного параметру:

 

Висновок: Статична характеристика ПВП – лінійна.

 

 

 

 

3.1.  Усунення грубих похибок з ряду спостережень.

 

Провівши 22 вимірювання вихідного сигналу ПВП, що відповідає кінцевому значенню діапазону, ми отримали наступні результати: 

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
P, МПа	2.69	2.36	2.42	2.62	2.25	2.74	2.68	2.52	2.66	2.71	2.59
№	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
P, МПа	2.37	2.51	2.65	2.59	1.5	2.52	2.29	2.59	2.39	2.68	2.7

 

 

Із отриманих результатів  складемо варіаційний ряд:

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
P, МПа	1.5	2.25	2.29	2.36	2.37	2.39	2.42	2.51	2.52	2.52	2.59
№	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
P, МПа	2.59	2.59	2.62	2.65	2.66	2.68	2.68	2.69	2.7	2.71	2.74

 

 

Обчислюємо середнє значення P, а також незміщену оцінку середньоквадратичного відхилення результатів вимірювання S для даного варіаційного ряду:

 

 

 

 

 

Для усунення з результатів  спостережень грубих похибок (промахів) з таблиці 1 (в додатку) для довірчої ймовірності p=95% і n=22 (f=n-1) знаходимо значення r’:

 

r’=2.683;

 

Тепер, для сумнівного першого  результату P₁ визначаємо r₁:

 

 

 

Оскільки  , робимо висновок, що значення P₁ – це промах.

 

 

 

Перевіримо значення P₂₁:

 

;

 

, тобто значення P₂₂ не є промахом.

Формуємо новий варіаційний  ряд, без виявленого промаху:

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
P, МПа	2.25	2.29	2.36	2.37	2.39	2.42	2.51	2.52	2.52	2.59	2.59
№	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
P, МПа	2.59	2.62	2.65	2.66	2.68	2.68	2.69	2.7	2.71	2.74

 

Оскільки ряд змінився, перераховуємо для нього значення :

 

     

 

З таблиці 1 для довірчої ймовірності p=95% і n=21 (f=n-1) знаходимо значення r’:

 

r’=2,664    ;

 

Знайдемо r₁ для першого результату ряду P₁:

 

 

 – значення P₁ не є промахом.

 

Оцінимо, як вплинуло на точність результатів те, що ми виключили  один промах:

;

Тобто, усунувши промах, ми зменшили розсіювання результатів майже  в півтора рази.