Практикум для студентів спеціальності за напрямком підготовки «Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології»

1 2 3 4 5 6 7 8

Ім'я файлу: методичка ВП практикум.doc
Розширення: doc
Розмір: 1312кб.
Дата: 02.02.2021
скачати
Пов'язані файли:
Лаб Дослідж випр.docx
Диплом Пастущак.doc
AT_EtR_Avtoservis_0 (1).pdf
Зразок оформлення звіту_ОП.doc

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

кафедра інформаційно-вимірювальної техніки

Ващишак С.П., Романів В.М., Сітко Я.О.
Первинні вимірювальні перетворювачі
ПРАКТИКУМ
для студентів спеціальності за напрямком підготовки

«Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології»

2010
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

кафедра інформаційно-вимірювальної техніки
Ващишак С.П., Романів В.М., Сітко Я.О.
Первинні вимірювальні перетворювачі
ПРАКТИКУМ
для студентів спеціальності за напрямком підготовки

«Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології»
Рекомендовано навчально-методичним

об’єднанням спеціальності

“Метрологія та вимірювальна техніка”
2010

Ващишак С.П., Романів В.М., Сітко Я.О. Первинні вимірювальні перетворювачі: Практикум. – Івано–Франківськ: Факел, 2010. – ____с.

Практикум складений згідно з програмою курсу “ Первинні вимірювальні перетворювачі” для студентів за напрямком підготовки “Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології” затвердженою на засідання кафедри ІВТ __________р. протокол №__ і призначений для підготовки до практичних занять при вивченні дисципліни студентами денної та заочної форм навчання.

У практикумі розглянуті різноманітні методики розрахунку конструктивних параметрів, технічних та метрологічних характеристик первинних вимірювальних перетворювачів(ПВП). Наводиться програма і зміст практичних занять, порядок їх виконання, сформовані вимоги до звітів, порядок їх захисту.

Рецензент канд.техн.наук., доцент кафедри

інформаційно-вимірювальної техніки ІФНТУНГ Кононенко М. А.

Дане видання – власність ІФНТУНГ.

Забороняється тиражування та розповсюдження.
Зміст

Практичне заняття №1

Інформаційно-енергетичні характеристики ПВП фізичної величини………………………………………..4

Практичне заняття №2

Статичні та динамічні характеристики ПВП фізичної величини………………………………………………….8

Практичне заняття №3

Вимірювальні кола ПВП……………………………….17

Практичне заняття №4

Резистивні ПВП…………………………………………23

Практичне заняття №5

Ємнісні ПВП…………………………………………….31

Практичне заняття №6

П’єзоелектричні ПВП…………………………………..39

Практичне заняття №7

Електромагнітні ПВП…………………………………..46

Практичне заняття №8

Гальваномагнітні ПВП…………………………………58

Практичне заняття №9

Електрохімічні ПВП…………………………………....65

Практичне заняття №10

Теплові ПВП…………………………………………….72

Список використаної літератури………………………………80

Вступ

Різноманітність існуючих ПВП величезна, значною є і кількість використаних у них методів перетворювань фізичних величин і параметрів. Водночас постійно підвищуються вимоги до їх точності, чутливості, швидкодії. Все більшого значення набувають вимірювальні перетворювачі, принцип дії котрих базується на нових фізичних явищах. Застосування ПВП у різних галузях виробництва вимагає від фахівців, які їх створюють та експлуатують широкого кругозору, неабияких знань і досвіду.

Тому метою даного практикуму та набуття студентами практичних навиків із розрахунку конструктивних параметрів різноманітних ПВП фізичних величин, визначення їх технічних та метрологічних характеристик. Дані навики дозволяють студентам напрямку метрологія та вимірювальні технології ефективно та оптимально використати існуючі ПВП при вирішенні складних інженерних завдань.

Практичне заняття №1

Інформаційно-енергетичні характеристики ПВП фізичної величини

Мета заняття. Набути навики з визначення основних інформаційно-енергетичних характеристик` ПВП для оптимального узгодження ПВП з навантаженням. Тривалість заняття 2 год.
Основні теоретичні положення

Інформаційно-енергетичний коефіцієнт корисної дії характеризує загальну якість ПВП і визначається з виразу:

, (1.1)

де Е_ш – енергія флуктуації (шуму); N – кількість рівнів вихідного сигналу ПВП, які можна розрізнити; Р – потужність сигналу від об’єкту; t_В – час встановлення вихідного сигналу ПВП.

Оскільки

, де D=X_max/X_min – діапазон перетворюваних значень фізичної величини Х;

- відносна похибка ПВП, то маємо:

, (1.2)

де

– середні квадратичні значення дисперсії флуктуацій (шуму), причому

, і абсолютної похибки ПВП.

Для порівняння різних типів ПВП використовують зведений інформаційно-енергетичний коефіцієнт:

, (1.3)

де Р_сп – енергія, яку ПВП споживає від джерел енергії для забезпечення перетворювань фізичної величини з коефіцієнтом η.

Ефективність перетворювання генераторного ПВП можна визначити з виразу:

(1.4)

де Р_н – потужність на опорі навантаження; Р_к.з. – потужність короткого замикання виходу ПВП; R, R_н – опір ПВП та опір навантаження;

– стала узгодження генераторного перетворювача з навантаженням. При R=R_н значення R_н→max, і

=1 що відповідає найкращому узгодженню ПВП з наступним технічним пристроєм.

Для параметричного ПВП, потужність на опорі навантаження визначається як:

(1.5)

де

– зміна струму, яка відповідає зміні ΔR перетворювального параметра.

Оскільки,

де

.

Звідси маємо:

, (1.6)

де

– потужність короткого замикання параметричного ПВП;

– стала узгодження;

– ефективність перетворювання (1.7) параметричного ПВП.

Максимум значення ефективності перетворювання η_n відповідає

.

Таким чином при оптимальному узгодженні генераторного ПВП відповідає умова R=R_н, а параметричного ПВП – умова R=3R_н. при оптимальному узгодженні значення енергетичного коефіцієнта корисної дії ПВП дорівнюють:

для генераторного ПВП

(або 50%) (1.8)

для параметричного ПВП

(або 25%) (1.9)

1.3. Вказівки щодо підготовки до заняття.

При підготовці до заняття студент повинен самостійно ознайомитися з основними теоретичними відомостями, які містяться у практикумі до цього заняття, а також рекомендованою літературою [1] розділ 6 та [3] розділ 2.

1.4. Порядок виконання роботи.

1.4.1. Студент повинен одержати у викладача завдання згідно варіанта.

1.4.2. Визначити ефективність перетворювання запропонованого ПВП при оптимальному узгодженні.

1.4.3. Визначити енергетичний коефіцієнт корисної дії запропонованого ПВП.

1.4.4. Зробити висновок про можливість узгодження запропонованого ПВП з навантаженням.

1.5. Варіанти завдань.

Завдання №1.

Опір параметричного ПВП R_п, опір навантаження R_н. Визначити ефективність перетворювання ПВП та його енергетичний коефіцієнт корисної дії (табл.1.1).

Таблиця 1.1 – Дані до завдання №1

Номер варіанта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
R_п, Ом	300	50	150	200	180	210	80	100	200	150
R_н, Ом	100	50	50	20	60	70	40	100	150	200

Завдання №2.

Опір генераторного ПВП R_r, опір навантаження R_н. Визначіть ефективність перетворювача ПВП та його енергетичний коефіцієнт корисної дії (табл.1.2).

Таблиця 1.2 – Дані до завдання №2

Номер варіанта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
R_г, Ом	100	200	150	300	200	150	400	250	400	500
R_н, Ом	100	100	50	200	300	150	400	250	200	300

1.6. Запитання для самоконтролю.

1.6.1. З якою метою визначаються інформаційно-енергетичні характеристики ПВП?

1.6.2. Як відносна похибка ПВП залежить від кількості рівнів вихідного сигналу ПВП?

1.6.3. Як інформаційно-енергетичний коефіцієнт залежить від часу встановлення вихідного сигналу ПВП?

1.6.4. Як визначають інформаційно-енергетичну характеристику ПВП і як збільшити її значення?

1.6.5. Як визначають зведений інформаційно-енергетичний коефіцієнт ПВП?

1.6.6. Назвіть умови найкращої передачі інформації енергетичним потоком у параметричному та генераторному ПВП.

1.6.7. Що таке ефективність перетворювача і стала узгодження? Як вони визначаються для генераторного та параметричного ПВП?
Практичне заняття №2

Статичні та динамічні характеристики ПВП фізичних величин
2.1. Мета заняття. Вивчити основні статичні та динамічні характеристики ПВП. Ознайомитись із видами та характеристиками типових моделей перетворювальних елементів ПВП. Тривалість заняття 2 години.

2.2. Основні теоретичні положення.

Статистичними називають характеристики вимірювальних перетворювачів, що відповідають статичному режиму їх роботи, при якому перетворювана величина не змінюється в часі, а тривалість перетворення достатня для загасання перехідного процесу у вимірювальному колі перетворювача.

До основних статичних характеристик ПВП відносяться: функція перетворення, коефіцієнт перетворення, чутливість, поріг чутливості, похибки в статичному режимі.

Функція перетворення описує зв'язок між вихідною та вхідною величинами:

, (2.1)

де Y та X – дійсні значення вихідної та вхідної величин.

Коефіцієнтом перетворення називають відношення вихідної величини до вхідної:

. (2.2)

Похідна від функції перетворення називається чутливістю ПВП:

(2.3)

або в кінцевих приростах

. (2.4)

Використовується також поняття відносної чутливості, під якою розуміють відношення відносної зміни вихідної величини до відносної зміни вхідної величини:

. (2.5)

Поріг чутливості ПВП визначається, як найменше значення зміни перетворюваної фізичної величини

, яке спричинює зміну вихідного сигналу

:

. (2.6)

Чутливість ПВП можна визначити також через його передавальну функцію W(p) при р→0 або через частотну характеристику C(w) при w→0.

Номінальний коефіцієнт перетворення ПВП не дорівнює одиниці, як у вимірювальних приладах, тому похибки ПВП можуть визначатись як за входом, так і за виходом.

Абсолютна похибка зведена до виходу може бути визначена з виразу:

, (2.7)

де k_ном.(х) та k_g(x) – номінальний та дійсний коефіцієнти перетворення; Y_ном. – номінальне значення вихідної величини, встановлене за номінальною функцією перетворення F_ном.(х) та дійсного значення вхідної величини х.

, (2.8)

де Х – значення вхідної величини, що відповідає дійсному значенню вихідної величини Y, визначеному за номінальною функцією перетворення; x=F^-1(Y) – обернена функція перетворення; k_ном.у(х) – номінальний коефіцієнт перетворення, який відповідає значенню Y за номінальною функцією перетворення.

Відносні похибки ПВП визначаються із виразів:

, (2.9)

. (2.10)

Приведені похибки ПВП визначаються із виразів:

, (2.11)

де X_N, Y_N – нормовані значення вхідної та вихідної величин.

Якщо функція перетворення лінійна k_ном.(х)=k_ном.у(х)=k_ном. і k_ном.≈k_g=const, тоді

;

. (2.12)

Здебільшого у практичних розрахунках вважають, що відносні значення зведених до входу та виходу похибок є однаковими.

Приведена до нормованого значення похибка ПВП визначається, як відношення абсолютної похибки за входом чи за виходом до відповідного нормованого значення:

;

, (2.13)

де X_N, Y_N – нормовані значення вхідної та вихідної величин (максимальне значення за модулем із границь вимірювання або верхня границя перетворення).

Динамічна характеристика ПВП визначає поведінку ПВП при змінах вхідної фізичної величини, тобто відгук або реакцію ПВП на швидку зміну вхідної фізичної величини.

Основною характеристикою, що описує роботу ПВП як лінійної стаціонарної динамічної системи із зосередженими параметрами, є диференціальне рівняння зі сталими коефіцієнтами:

(2.14)

На практиці користуються простішими характеристиками, які можна вважати розв’язками диференціального рівняння ПВП для певних типових вхідних сигналів та певних початкових умов. Це є перехідна функція h(t) як реакція на вхідний сигнал у вигляді одиничної функції 1(t) чи імпульсна перехідна функція q(t) як реакція на вихідний сигнал у вигляді

- функції або ж усталена реакція на синусоїдний вхідний сигнал.

Реакція на синусоїдний вхідний сигнал найкраще описується амплітудно-частотною (АЧХ) та фазочастотною (ФЧХ) характеристиками. Застосувавши до диференційного рівняння ПВП за початкових нульових умов перетворення Лапласа із подальшою заміною оператора Лапласа на jw одержимо комплексну частотну характеристику:

, (2.15)

де P(w) та Q(w) – її дійсна та уявна частини.

Звідси АЧХ визначаємо з виразу:

, (2.16)

а ФЧХ буде

(2.17)

Залежно від порядку диференційного рівняння, яке описує динаміку ПВП, перетворювачі поділяють на перетворювачі першого, другого та вищих порядків. Порівняльні характеристики ПВП першого порядку детально описані в [2] розділ 3.

Динамічні характеристики перетворювачів другого порядку можна описати наступними виразами:

диференційне рівняння II порядку

, (2.18)

де

,

,

та

– коефіцієнти узагальненого перетворювача, значення яких залежить від параметрів перетворювача.

передаточна функція

(2.19)

комплексний коефіцієнт перетворення

, (2.20)

де

– ступінь заспокоєння ПВП;

– власна частота коливань ПВП.

Якщо позначити відносну частоту вхідного сигналу

, тоді частотна характеристика набуде вигляду:

, (2.21)

де

– АЧХ (2.22)

– ФЧХ (2.23)

Перехідна функція для перетворювача другого порядку буде:

, (2.24)

а імпульсна перехідна функція

(2.25)

Залежно від значення β можливі три випадки:

1)β<1 – перехідний процес буде коливним з частотою вільних коливань

та амплітудою, яка згасає експонентою;

2)β>1 – характеризує аперіодичний перехідний процес;

3)β=1 – характеризує критичний режим, що є окремим видом аперіодичного перехідного процесу.

2.3 Вказівки щодо підготовки до заняття

При підготовці до заняття студент повинен самостійно ознайомитись з основними теоретичними відомостями, які містяться у практикумі до цього заняття, а також рекомендованою літературою [2] розділ 3 та [1] розділ 6.

2.4 Порядок виконання роботи

2.4.1 Студент повинен одержати у викладача завдання згідно варіанта.

2.4.2 Визначіть чутливість запропонованого ПВП.

2.4.3 Визначіть АЧХ та ФЧХ перетворювача.

2.4.4 Обчисліть комплексну частотну характеристику ПВП.

2.4.5 Розрахуйте передаточну та імпульсну функції ПВП при t=1.

2.4.6 Визначіть абсолютну динамічну похибку в момент t=1.

2.4.7 Обчисліть частоту вільних коливань ПВП.

2.4.8 За результатами розрахунків числових характеристик зробіть висновок про ступінь заспокоєння перетворювача.

2.5 Варіанти завдань

Таблиця 2.1. Варіанти завдань

Номер варіанта	Вид перетворювача	Коефіцієнти рівняння перетворювача
Номер варіанта	Вид перетворювача
1		__	__	4	__	8
2		__	3,5	__	15	_
3		__	7	3	5	_
4		12	8	2	7	_
5		20	10	5	14	_

Продовження таблиці 2.1

6		16	14	12	18	_
7		7,5	3,5	2,5	15,5	_
8		14	9	7	3	_
9		24	20	5	11	_

Продовження таблиці 2.1

10

17

13

9

7

_

2.6 Запитання для самоконтролю

2.6.1 За яких умов роботи ПВП визначають статичні і динамічні характеристики?

2.6.2 Що таке і як визначається статична функція ПВП?

2.6.3 Назвіть види статичних характеристик ПВП.

2.6.4 Назвіть основні динамічні характеристики ПВП.

2.6.5 Наведіть рівняння та графіки динамічних характеристик основних типових перетворювальних елементів?

2.6.6 Як визначаються чутливості лінійного і нелінійного ПВП?

2.6.7 Як можна задати динамічну характеристику ПВП?

2.6.8 Чим відрізняються номінальні, розрахункові та експериментальні характеристики ПВП?

2.6.9 Наведіть математичні вирази W(p), h(t), АЧХ, ФЧХ?

1 2 3 4 5 6 7 8

скачати

© Усі права захищені
написати до нас