background image

 

PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA 

C

HEŁMIE

 

Instytut Nauk Technicznych i Lotnictwa 

Kierunek:  Elektrotechnika         III rok VI semestr 

LABORATORIUM Z PODSTAW AUTOMATYKI 

Prowadzący dr Edward Żak 

 

 Piotr Dyjak 

 Jarosław Niemiec 

 Katarzyna Kowalczyk 

Temat: Badanie właściwości dynamicznych czujnika 

temperatury 

Data wykonania 

15.03.2014 

Grupa A 

Zespół I 

Ć

wiczenie nr 1 

Podpis 

 
 
Cel ćwiczenia 

Celem ćwiczenia jest: 

-  zapoznanie  się  z  metodami  identyfikacji  właściwości  dynamicznych  obiektów  oraz  modelowania  obiektów 

inercyjnych wyższych rzędów, 

-  wyznaczenie  parametrów  modelu  zastępczego  przetwornika  temperatury  na  podstawie  analizy  odpowiedzi 

na skok jednostkowy. 

 
 
Schemat stanowiska laboratoryjnego 

Schemat  poglądowy  stanowiska  laboratoryjnego  do  wyznaczania  właściwości  dynamicznych  czujnika 

temperatury przedstawiony został na rys.1. 

 

Rys.1. Schemat poglądowy stanowiska laboratoryjnego do identyfikacji właściwości dynamicznych czujników 

temperatury 

 

background image

 

Obiektem badania jest przemysłowy czujnik temperatury (5) typu TP-405 w kształcie stalowej walcowej 

sondy  z  głowica  przyłączeniową,  przeznaczony  do  pomiarów  temperatur  cieczy  i  gazów  w  rurociągach, 
kanałach wentylacyjnych itp. Bezpośrednim elementem przetwarzającym jest standardowy termorezystor Pt100 
(rezystor  platynowy,  R0°C=100  Ω)  zabudowany  wewnątrz  sondy.  Czujnik  (5)  współpracuje  z  cyfrowym 
miernikiem temperatury (7) umożliwiającym odczyt wyników pomiarów z rozdzielczością 0.1OC. Czujnik (5) 
wyposażony jest w dodatkowy (demontowany) płaszcz ochronny (6) osłaniający sondę. 

Do wymuszenia skokowej zmiany temperatury otoczenia wykorzystywana jest ciecz (woda destylowana 

lub  wodny  roztwór  glikolu),  której  temperatura  jest  stabilizowana  w  naczyniu  z  grzałka  elektryczna  (2).  Role 
termostatu pełni regulator cyfrowy (3), na wyświetlaczu którego można także monitorować bieżącą temperaturę 
cieczy. 
 
 
Przebieg ćwiczenia 

Ć

wiczenie  polegało  na  doświadczalnym  wyznaczeniu  wzmocnienia,  zastępczego  czasu  opóźnienia  i 

zastępczej stałej czasowej dla czujnika temperatury w postaci metalowej sondy. 

Sprawdziliśmy  ilość  cieczy  w  naczyniu  (2)  –  poziom  był  prawidłowy  i  wynosił  od  ½  do  ¾  wysokości 

naczynia.  Następnie  odkręciliśmy  płaszcz  ochronny  (6)  z  czujnika  temperatury  (5).  Odłożyliśmy  czujnik  na 
przeznaczony  do  tego  celu  wieszak.  Poczekaliśmy  aż  temperatury  sondy  i  płaszcza  ochronnego  musza 
wyrównają się z temperatura panującą w pomieszczeniu. 

Włączyliśmy  zasilanie  stanowiska  wyłącznikiem  sieciowym  (1)  oraz  zasilanie  regulatora  temperatury 

wyłącznikiem  (4).  Następnie  nacisnęliśmy  przycisk  regulatora  (3).  Zaświeciła  się  dioda  obok  napisu  SP  co 
oznacza, że na wyświetlaczu widnieje wartość zadana dla temperatury cieczy. Ustawiliśmy wartość zadaną na 
40.0°C. Po około 30 sekundach regulator powrócił do wyświetlania bieżącej temperatury w naczyniu. 

Podgrzewanie  cieczy  od  temperatury  pokojowej  do  zadanej  potrwało  parę  minut.  Gdy  temperatura 

cieczy w zbiorniku ustabilizowała się (oscylowała 

±

0,5OC wokół temperatury zadanej) mogliśmy przystąpić do 

eksperymentu  nr  1,  tj.  wygenerowania  pierwszego  wymuszenia  skokowego:  temperatury  otoczenia 

→ 

temperatury  cieczy.  Zapisaliśmy  temperaturę  początkowa  wskazywana  przez  czujnik  T

0

  oraz 

wyzerowaliśmy stoper. 

Zdecydowanym  ruchem  zanurzyliśmy  czujnik  temperatury  w  cieczy  jednocześnie uruchamiając stoper. 

Wskazania  czujnika  zanotowaliśmy  w  tabeli  wyników  co  5  s  w  pierwszej  minucie  i  co  10  s  w  drugiej.  Z 
upływem  czasu  zmniejszaliśmy  odstępy  miedzy  pomiarami.  Zakończyliśmy  rejestrację  pomiarów  wtedy  gdy 
wskazania czujnika temperatury zmieniały się wolniej niż ok. 0,1°C/30 s. Czujnik pozostawiliśmy zanurzony w 
cieczy. 

 
Przystąpiliśmy  do  eksperymentu  nr  2  –  ochładzania  czujnika  od  temperatury  cieczy  do  temperatury 

otoczenia.  Zapisaliśmy  temperaturę  początkową  wskazywaną  przez  czujnik  T0  (czujnik  zanurzony  w  cieczy) 
oraz wyzerowaliśmy stoper. 

Zdecydowanym  ruchem  wyjęliśmy  czujnik  z  cieczy  jednocześnie  uruchamiając  stoper.  Szybko 

osuszyliśmy sondę z cieczy przy użyciu chusteczki i odłożyliśmy czujnik na uchwyt. Zanotowaliśmy wskazania 
czujnika w tabeli wyników co 5 s w pierwszej minucie i co 10 s w drugiej. Z upływem czasu zmniejszaliśmy 
odstępy  miedzy  pomiarami.  Zakończyliśmy  rejestracje  pomiarów  gdy  wskazania  czujnika  temperatury 
zmieniały się wolniej niż ok. 0,1°C/60s. Pozostawiliśmy czujnik w uchwycie. 
 

Całą  powyższą  procedurę  powtórzyliśmy  dla  czujnika  temperatury  z  zamontowanym  płaszczem 

ochronnym  (eksperymenty  nr  3  i  4).  Rejestrację  wyników  w  fazie  ochładzania  czujnika  w  powietrzu 
(eksperyment  nr  4)  zakończyliśmy  gdy  wskazania  czujnika  „zbliżały  się”  na  klika  stopni  Celsjusza  do 
wskazania w temperaturze otoczenia – czyli wskazania temperatury czujnika T

0

 z początku eksperymentu nr 3. 

 
 
 
 
 
 
 

background image

 

Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń eksperymentu 1 bez płaszcza ochronnego - grzanie 
Numer eksperymentu 

Data 

15.03.2014 

Typ czujnika 

TP-405 

 

 

 

Warunki eksperymentu 

Rezultaty obliczeń 

Zainstalowany płaszcz ochronny 

NIE 

Wskazania końcowe czujnika 
(asymptota) T

2

 

34,0 

Czujnik wymuszający (medium) 

 

Amplituda odpowiedzi 
kA = T

2

-T

0

 

5,2 

Wskazania początkowe czujnika T

0

 

28,8 

Współczynnik wzmocnienia czujnika 

 

Temperatura medium T

1

 

40,0 

Zastępcze opóźnienie τ

op

 

 

Amplituda wymuszenia A = T

1

 – T

0

 

11,2 

 

Zastępcza stała czasowa τ 

 

 

Wyniki pomiarów 

Wyniki pomiarów c.d. 

Czas 

t[s] 

Wskazania czujnika 

[°C] 

Czas 

t[s] 

Wskazania czujnika 

[°C] 

(T

0

) – 28,8 

70 

31,9 

28,8 

80 

32,2 

10 

29,0 

90 

32,4 

15 

29,5 

100 

32,6 

20 

29,8 

110 

32,7 

25 

30,1 

120 

32,9 

30 

30,3 

130 

33,1 

35 

30,7 

140 

33,3 

40 

30,9 

150 

33,3 

45 

31,1 

170 

33,6 

50 

31,3 

190 

33,7 

55 

31,5 

220 

33,9 

60 

31,6 

 

250 

34,0 

 

2 8,5

2 9

2 9,5

3 0

3 0,5

3 1

3 1,5

3 2

3 2,5

3 3

3 3,5

3 4

3 4,5

0

20

40

6 0

8 0

10 0

12 0

14 0

1 60

1 80

200

220

24 0

26 0

c zas  [s]

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

 [

C

]

 

Rys. 2.  Wykres zależności temperatury czujnika bez płaszcza ochronnego od czasu - grzanie 

 

τ

op

 

τ 

y

k

=kA 

background image

 

Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń eksperymentu 1 bez płaszcza ochronnego - chłodzenie 

Numer eksperymentu 

Data 

15.03.2014 

Typ czujnika 

TP-405 

 

 

 

Warunki eksperymentu 

Rezultaty obliczeń 

Zainstalowany płaszcz ochronny 

NIE 

Wskazania końcowe czujnika 
(asymptota) T

2

 

31,2 

Czujnik wymuszający (medium) 

 

Amplituda odpowiedzi 
kA = T

2

-T

0

 

-3,6 

Wskazania początkowe czujnika T

0

 

34,8 

Współczynnik wzmocnienia czujnika 

 

Temperatura medium T

1

 

40,0 

Zastępcze opóźnienie τ

op

 

 

Amplituda wymuszenia A = T

1

 – T

0

 

5,2 

 

Zastępcza stała czasowa τ 

 

 

Wyniki pomiarów 

Wyniki pomiarów c.d. 

Czas 

t[s] 

Wskazania czujnika 

[°C] 

Czas 

t[s] 

Wskazania czujnika 

[°C] 

(T

0

) – 34,8 

100 

33,8 

34,5 

110 

33,8 

10 

34,5 

120 

33,7 

15 

34,4 

140 

33,7 

20 

34,3 

170 

33,5 

25 

34,3 

200 

33,4 

30 

34,3 

230 

33,2 

35 

34,3 

260 

33,1 

40 

34,3 

290 

33,0 

45 

34,2 

320 

32,8 

50 

34,2 

350 

32,7 

55 

34,2 

380 

32,5 

60 

34,1 

410 

32,2 

70 

34,1 

470 

31,9 

80 

34,1 

530 

31,6 

90 

33,9 

 

620 

31,2 

30,5

31

31,5

32

32,5

33

33,5

34

34,5

35

35,5

0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

440

480

520

560

600

640

czas [s]

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

 [

C

]

 

Rys. 3. Wykres zależności temperatury czujnika bez płaszcza ochronnego od czasu – chłodzenie 

background image

 

Tabela 3. Wyniki pomiarów i obliczeń eksperymentu 3 z płaszczem ochronnym – grzanie 

Numer eksperymentu 

Data 

15.03.2014 

Typ czujnika 

TP-405 

 

 

 

Warunki eksperymentu 

Rezultaty obliczeń 

Zainstalowany płaszcz ochronny 

TAK 

Wskazania końcowe czujnika 
(asymptota) T

2

 

38,6 

Czujnik wymuszający (medium) 

 

Amplituda odpowiedzi 
kA = T

2

-T

0

 

7,9 

Wskazania początkowe czujnika T

0

 

30,7 

Współczynnik wzmocnienia czujnika 

 

Temperatura medium T

1

 

40,0 

Zastępcze opóźnienie τ

op

 

 

Amplituda wymuszenia A = T

1

 – T

0

 

9,3 

 

Zastępcza stała czasowa τ 

 

 

Wyniki pomiarów 

Wyniki pomiarów c.d. 

Czas 

t[s] 

Wskazania czujnika 

[°C] 

Czas 

t[s] 

Wskazania czujnika 

[°C] 

(T

0

) – 30,7 

100 

36,1 

30,9 

110 

36,4 

10 

31,1 

120 

36,5 

15 

31,4 

130 

36,8 

20 

31,9 

140 

36,9 

25 

32,3 

150 

37,1 

30 

32,8 

160 

37,2 

35 

33,3 

180 

37,4 

40 

33,5 

210 

37,6 

45 

33,9 

240 

37,9 

50 

34,0 

270 

38,1 

55 

34,5 

300 

38,2 

60 

34,7 

330 

38,4 

70 

35,1 

360 

38,5 

80 

35,5 

390 

38,6 

90 

35,8 

 

 

 

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

czas [s]

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

 [

C

]

 

Rys. 4. Wykres zależności temperatury czujnika z płaszczem ochronnym od czasu - grzanie 

y

k

=kA 

τ

op

 

τ 

background image

 

Tabela 4. Wyniki pomiarów i obliczeń eksperymentu 4 z płaszczem ochronnym – chłodzenie 

Numer eksperymentu 

Data 

15.03.2014 

Typ czujnika 

TP-405 

 

 

 

Warunki eksperymentu 

Rezultaty obliczeń 

Zainstalowany płaszcz ochronny 

TAK 

Wskazania końcowe czujnika 
(asymptota) T

2

 

35,2 

Czujnik wymuszający (medium) 

 

Amplituda odpowiedzi 
kA = T

2

-T

0

 

-3,1 

Wskazania początkowe czujnika T

0

 

38,3 

Współczynnik wzmocnienia czujnika k 

 

Temperatura medium T

1

 

40,0 

Zastępcze opóźnienie τ

op

 

 

Amplituda wymuszenia A = T

1

 – T

0

 

1,7 

 

Zastępcza stała czasowa τ 

 

 

Wyniki pomiarów 

Wyniki pomiarów c.d. 

Czas 

t[s] 

Wskazania czujnika 

[°C] 

Czas 

t[s] 

Wskazania czujnika 

[°C] 

(T

0

) – 38,3 

110 

37,2 

38,2 

120 

37,1 

10 

38,1 

140 

37,0 

15 

38,0 

150 

36,8 

20 

38,0 

170 

36,7 

25 

38,0 

190 

36,6 

30 

37,9 

210 

36,5 

35 

37,8 

230 

36,4 

40 

37,8 

250 

36,4 

45 

37,7 

280 

36,1 

50 

37,7 

310 

35,9 

55 

37,6 

340 

35,7 

60 

37,6 

370 

35,5 

70 

37,6 

400 

35,4 

80 

37,4 

430 

35,3 

90 

37,4 

 

460 

35,2 

100 

37,4 

 

 

 

35

35,5

36

36,5

37

37,5

38

38,5

0

30

60

90

120 150 180 210 240

270 300 330 360 390

420 450

480

czas [s]

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

 [

C

]

 

Rys. 5. Wykres zależności temperatury czujnika z płaszczem ochronnym od czasu – chłodzenie 

 

background image

 

Porównanie wykresów 

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

0

50

100

150

200

250

300

350

400

czas [s]

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

 [

C

]

bez płaszcza

z płaszczem

 

Rys.6. Wykres zależności temperatury czujnika bez i z płaszczem ochronnym od czasu – grzanie 

 

30,5

31,5

32,5

33,5

34,5

35,5

36,5

37,5

38,5

39,5

0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

440

480

520

560

600

640

czas [s]

Te

m

pe

ra

tur

a

 [

C

]

bez płaszcza

z płaszczem

  

Rys.7. Wykres zależności temperatury czujnika bez i z płaszczem ochronnym od czasu – chłodzenie 

 

background image

 

Wnioski 

Analizując  powyższe  wykresy  można  zauważyć,  że  temperatura  czujnika  z  płaszczem  ochronnym 

ustalała  się  dłużej  niż  czujnika  bez  płaszcza.  Przy  chłodzeniu  wykresy  w  obu  przypadkach  mają  podobne 
nachylenie do osi odciętych układu (zbliżony do liniowego). 

Na podstawie powyższych wykresów można stwierdzić, że czujnik bez osłony jest obiektem inercyjnym 

I-rzędu, a czujnik z osłoną jest obiektem inercyjnym I-rzędu. 

W  rozpatrywanych  przypadkach  występują  istotne  różnice  w  wartościach  zastępczych  stałych 

czasowych. Dla układu bez płaszcza ochronnego stała czasowa jest dłuższa i wynosi 50.