Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ДОСЛІДЖЕННЯ ЄМНІСНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА РІВНЯ РІДИНИ/
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2025
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Фізика
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА N5
ДОСЛІДЖЕННЯ ЄМНІСНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА РІВНЯ РІДИНИ
Мета роботи - вивчити принцип роботи та конструктивні особливості ємнісного перетворювача рівня рідини, провести експериментальні дослідження його функції перетворення та вимірювання рівня рідини.
ЗМІСТ РОБОТИ
1. Вивчити принцип роботи та основні конструктивні особливості ємнісного перетворювача рівня рідини.
2. Вивчити методику розрахунку ємності та чутливості перетворювача.
3. Вивчити особливості компенсації неінформативних параметрів.
4. Ознайомитись з лабораторною установкою та апаратурою для дослідження ємнісного перетворювача.
5. Виходячи із заданих викладачем параметрів вимірювального перетворювача, властивостей рідини, рівень якої вимірюється, розрахувати ємність і чутливість перетворювача, оцінити його похибку від зміни властивостей рідини.
6. Експериментально дослідити функцію перетворення ємнісного перетворювача рівня рідини. Одержати інтерполяційні формули, які характеризують його функцію перетворення з використанням методу найменших квадратів. Визначити основну та додаткову похибки перетворювача.
7. Використовуючи інтерполяційну формулу функції перетворення перетваорювача, виміряти рівень рідини в резервуарі, заданий викладачем. Оцінити похибку вимірювання рівня.
8. Оформити звіт до роботи.
ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Принцип дії ємнісного рівнеміра базується на зміні ємності первинного перетворювача, що є конденсатором, наприклад, з циліндричними електродами, який вміщено у резервуар, рівень рідини в якому вимірюється. Конденсатор може бути утворений стінкою резервуару і щупом, які є його електродами. Очевидно, що довжина електродів повинна бути не меншою, ніж максимальний рівень рідини, який вимірюється.
На рис. 5.1 схематично показано конструкцію ємнісного перетворювача рівня рідини, вертикально розміщеного в резервуарі. Перетворювач представлявляє собою коаксіальний конденсатор, тобто систему ізольованих один від одного металевих стержня і рурки. Ємнісний рівнемір взагалі може бути використаний для вимірювання висоти h площини розділу двох речовин, відмінних за своїми електричними властивостями. Оскільки діелектрична проникність (p рідин, рівень яких вимірюється, відрізняється від діелектричної проникності повітря (n (або суміші пари рідини і повітря), то ємнісний перетворювач можна представити як два паралельно з'єднаних конденсатори. Конденсатор С1 утворений частиною електродів і діелектриком - рідиною, рівень якою вимірюється, конденсатор С2 - рештою частиною електродів та діелектриком - повітрям. Ємність перетворювача С=С1+С2.
Необхідною умовою роботи ємнісного перетворювача рівня рідин є відмінність діелектричних проникностей рідини і повітря, тобто (p((n. На цій властивості і базується принцип дії ємнісного рівнеміра.
В реальних конструкціях ємнісних перетворювачів рівня рідин для забезпечення механічної міцності та зменшення відносного переміщення електроди фіксуються з допомогою прокладок, шайб і т.д. Наявність таких конструктивних елементів, а також виводів провідників для під'єднання перетворювача до вимірювальної системи, призводить до того, що перетворювач має так звану конструктивну складову ємності , яка не змінюється залежно від рівня заповнення перетворювача рідиною. Тоді загальна ємність перетворювача дорівнює ємності трьох конденсаторів, з'єднаних паралельно, тобто:
С=С0+С1+С2, (5.1)
де С0 - ємність конструктивних елементів перетворювача.
У загальному випадку, особливо для вимірювання рівнів електропровідних, а також хімічно-агресивних рідин (наприклад, солоної води, кислоти і т.п.) для захисту електродів перетворювача від корозії, на них наносять шар ізоляційного покриття, діелектрична проникність якого (із відмінна від (р і (п (рис.5.1). Тоді С1 - ємність частини перетворювача, заповненого рідиною; С2 - ємність частини перетворювача, заповненого повітрям. Їх визначають за формулами
(5.2)
де – Сн’, Сн” ємності між зовнішніми електродом та поверхнею внутрішнього електрода, заповнені відповідно рідиною і повітрям; Ск’, Ск” - теж, між зовнішньою поверхнею внутрішнього електрода і самим електродом. Ці складові обчислюються як ємності циліндричних конденсаторів за формулами:
, (5.3)
де (0=8,854 пФ/м - абсолютна діелектрична проникність вакууму; f - товщина ізоляційного покриття. Тобто,
. (5.4)
. (5.5)
Звідси випливає, що при h=0, С1=0, а при h=l С2=0.
Якщо електроди перетворювача неізольовані (такий перетворювач використовується для вимірювання рівня неелектропровідної рідини), то формули розрахунку ємності перетворювача спрощуються:
(5.6)
Або, позначивши член як погонну геометричну ємність, одержимо вираз функції перетворення у вигляді:
С=С0+Сnl(n+Cnh((p-(n). (5.7)
Як видно з останнього виразу, функція перетворення перетворювача —лінійна відносно вимірюваного рівня, однак має якесь початкове зміщення.
Якщо рідина, рівень якої вимірюється, не випаровується при робочих температурах експлуатації, тоді пара рідини в повітрі над поверхнею рідини відсутні, і, враховуючи, що діелектрична проникність повітря (n=1, вираз функції перетворення приймає вигляд:
C=a+bh, (5.8)
де а=C0+Cnl; b=Cn((p-1)
Завдяки лінійності функції перетворення чутливість перетворювача, яка визначається як відношення зміни ємності до одиниці рівня, є сталою і визначається за формулою
. (5.9)
Як уже вказувалось, ємність перетворювача залежить не тільки від значення вимірюваного рівня, але й від геометричних розмірів електродів, а також від електричних властивостей речовин, які перебувають між його електродами. Відомо, що ці властивості (зокрема, діелектрична проникність) майже у всіх речовин дуже нестабільні й залежать від багатьох факторів (температури, домішок, складу і т.п.). Тому зв'язок ємності перетворювача із значенням рівня неоднозначний.
Зміна діелектричної проникності рідини, рівень якої вимірюється, безпосередньо впливає на похибку вимірювання рівня. Так, доведено, що діелектрична проникність рідини змінилась на відносну величину εр, то відносна зміна ємності перетворювача
. (5.10)
тобто перевищує значення відносної зміни діелектричної проникності.
Наприклад, якщо функція перетворення перетворювача, що описується рівнянням (5.6), відома для температури t1, то при зміні температури рідини на (t відносна похибка
. (5.11)
де (p’=(pt1(1+(t(t); (pt1- значення діелектричної проникності рідини при температурі t1; (t- температурний коефіцієнт діелектричної проникності рідини.
З виразу (5.11) видно, що складова похибки від зміни діелектричної прооникності рідини має мультиплікативний характер, тобто залежить від рівня, що вимірюється.
У деяких випадках (наприклад, при вимірюванні запасу палива в баках літаків, оскільки при заданих габаритних розмірах бака рівень палива визначає його масу), рівнемір градуюють в одиницях маси палива. Із збільшенням температури завдяки додатньому температурному коефіцієнту лінійного розширення рівень палива підвищується (але його кількість не змінюється), а діелектрична проникність палива зменшується, і спостерігається деяка компенсація похибки вимірювання наявності палива в баках.
Для зменшення впливу зміни діелектричної проникності рідин на результат вимірювання рівня використовують спосіб, при якому спочатку визначається діелектрична проникність (p, а потім в схемі приладу здійснюється корекція результату вимірювання. За останні роки розроблено так звані самокомпенсовані рівнеміри, в яких за допомогою додаткового ємнісного перетворювача, повністю зануреного в рідину, рівень якої вимірюється, здійснюється автоматична компенсація похибок рівнеміра від зміни (p.
При під'єднанні ємнісного перетворювача до вимірювальної схеми на результат вимірювання рівня може впливати ємність з'єднувальних провідників. Похибка визначається співвідношенням ємності провідників Спр до ємності перетворювача і може бути значною (погонна ємність лінії зв'язку 50...150 пФ/м). Для зменшення цієї похибки первинний перетворювач вмикають у вимірювальну схему за допомогою екранованих провідників таким чином, щоб ємність провідників вмикалась паралельно елементам вимірювальної схеми, а не паралельно перетворювачу.
Як видно з виразу (5.6), на похибку рівнеміра впливає також зміна діелектричної проникності (p пари рідини й повітря. Якщо рідина не випаровується, то над рідиною є лише повітря, діелектрична проникність якого мало змінюється від температури (nt =0,01 %/ 0С, тому похибка буде незначною. При необхідності компенсації похибки від зміни (n в цьому середовищі вставновлюють додатковий ємнісний перетворювач і компенсують вплив зміни (n за допомогою вимірювальної схеми, аналогічно як і від зміни (p.
ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ
Опис лабораторної установки. Установка, яка використовується в даній роботі, складається з резервуару, в якому розміщено циліндричний ємнісний перетворювач. При допомозі гнучкого шлангу він з'єднаний з додатковим резервуаром з рідиною. Останній може переміщуватися вверх і вниз за допомогою гвинта. Резервуар з перетворювачем з'єднаний з мірною руркою, на якій нанесено поділки через кожний 1 мм. Оскільки резервуар та мірна рурка з'єднані між собою і мають зв'язок (через отвори у верхній частині) з атмосферою, то на основі закону сполучених посудин рівень рідини в них встановлюється однаковий і залежить від місця перебування додаткового резервуару.
Переміщуючи додатковий резервуар вверх-вниз за допомогою гвинта , можна змінювати рівень рідини в резервуарі з перетворювачем. Рівень рідини вимірюють мірною лінійкою, а ємність перетворювача - цифровим мостом. Термометр призначений для вимірювання температури навколишнього середовища, яку можна вважати рівною температурі рідини. Перетворювач під'єднується до моста екранованим кабелем.
У загальному випадку при дослідженні первинних перетворювачів можуть виникнути дві задачі:
перша - коли вказані номінальна функція перетворення і допустима похибка перетворювача, тоді завдання експериментатора - перевірити відповідність похибки перетворювача допустимому значенню;
друга - коли невідомі дійсна функція перетворення і похибка перетворювача і їх необхідно встановити.
При організації експерименту для вирішення першої задачі необхідно вибрати зразкові засоби вимірювання таким чином, щоб похибка вимірювання параметрів перетворювача була хоча б в 3 рази меншою, ніж похибка перетворювача у всьому діапазоні зміни вимірювальної величини. Тоді вважають, що похибка засобу вимірювання невелика порівняно з похибкою досліджуваного перетворювача, і на основі даних експерименту роблять висновок про відповідність його похибки допустимому значенню.
При розв'язуванні другої задачі, тобто, коли, маючи математичну модель функції перетворення перетворювача, необхідно експериментально визначити коефіціїнти функції перетворення і похибку перетворювача, слід пам'ятати, що характеристики досліджуваного перетворювача будуть встановлені з похибкою, яка визначається засобами їх вимірювання.
Однак не завжди слід вибирати ці засоби найвищої точності, а необхідно обгрунтовувати її доцільність. Наприклад, якщо відомо, що функція перетворення ємнісного перетворювача рівня залежить від температури рідини, і необхідно визначити його основну похибку (тобто при нормальних умовах експлуатації, наприклад 22±5 0С), то похибка перетворювача лише від зміни температури рідини при нормальних умовах експлуатації становитиме ±1 % (що відповідає ±3 мм рівня, або 13 пФ зміни ємності). Тобто в цьому випадку достатньо, щоб похибка засобів вимірювання, які використовуються для дослідження перетворювача, була 0,3 %.
У первинних перетворювачах, які призначені для роботи в умовах значної зміни впливаючих факторів, нормується його основна похибка (для нормальних умов) і додаткова похибка (для робочої області значень впливаючих величин).
Математичною моделлю функції перетворення ємнісного перетворювача рівня є вираз (5.6). На основі результатів експерименту необхідно визначити коефіціїнти a i b, які є коефіцієнтами лінійної моделі номінальної функції перетворення. Через наявність похибок вимірювання параметрів перетворювача, значення коефіцієнтів a i b може бути визначене з деякою похибкою. Якщо похибки вимірювання ємності перетворювача розподілені по нормальному закону з нульовим математичним сподіванням (тобто відсутня систематична похибка) і з одним і тим же середньоквадратичним відхиленням, то найімовірніше значення коефіцієнтів a i b можна знайти за методом найменших квадратів: значення параметрів будуть найбільш ймовірними тоді, коли сума квадратів відхилень буде мінімальна, тобто
. (5.12)
де n - кількість значень.
З умови мінімуму виразу, після розв'язання системи двох рівнянь з двома невідомими, отримаємо номінальні значення коефіцієнтів
. (5.13)
При розрахунку коефіцієнтів a i b бажано брати значення Сjсер, починаючи із значень, які відповідають h>20 мм, оскільки на початку діапазону вимірюваного рівня через вплив крайового ефекту існує деяка нелінійність функції перетворення (при рівнях, менших 5...10 % діапазону вимірювання, як правило, похибка перетворювача не нормується). При встановленні похибки перетворювача слід знайти по два максимальних відхилення експериментально одержаних значень Сjсер=f(hj) по обидва боки номінальної функції перетворення, одержаної за методом найменших квадратів з урахуванням похибки вимірювання.
Порядок проведення експериментальних досліджень та обробки результатів. Експериментально коефіцієнти функції перетворення і похибок ємнісного перетворювача рівня визначають у такому порядку.
1. Ввімкнути цифровий міст у мережу живлення. Виставляючи за допомогою гвинта рівень рідини на мітки по мірній лінійці (наприклад, hj=0,50; 100 мм і т.д.), визначити значення ємності перетворювача Сij0. Виставлення рівня hj на кожній точці мірної лінійки та вимірювання відповідної ємності Сі0 здійснити N=8-10 раз, тобто і=1,..,N. Для кожного значення hj записати покази термометра tj.
2. Визначити середні арифметичні значення результатів вимірювання ємності Сjсер і зобразити графічно функцію перетворення.
3. Вважаючи, що залежність між С і h лінійна і має вигляд (5.6), методом найменших квадратів визначити номінальні значення кіефіціїнтів a i b інтерполяційної формули, яка описує номінальну функцію перетворення ємнісного перетворювача. З розгляду доцільно випустити значення ємності при малих значеннях рівня рідини.
4. Визначити основну та додаткову похибки перетворювача. При визначенні границь для основної похибки перетворювача оцінити по два максимальне за модулем відхилення значення Сjсер 0від номінальної функції перетворення для всіх значень hj, тобто
(=max{|Cjcep-(a+bhj)|}. (5.14)
Тоді похибку перетворювача можна оцінити як
. (5.15)
де S- чутливість перетворюва. Додаткову похибку визначити згідно з виразом (5.11) для діапазону зміни температури рідини - 50...+50 0С.
6. Виміряти за допомогою досліджуваного ємнісного перетворювача рівень рідини, заданий викладачем, оцінити похибку вимірювання рівня.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора