PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA
W CHEŁMIE
Instytut Nauk Technicznych i Lotnictwa
Kierunek: Elektrotechnika III rok VI semestr LABORATORIUM Z PODSTAW AUTOMATYKI
Prowadzący dr Edward Żak
Piotr Dyjak
Temat: Badanie właściwości dynamicznych czujnika
Jarosław Niemiec
temperatury
Katarzyna Kowalczyk
Podpis
Data wykonania
Grupa A
15.03.2014
Zespół I
Ćwiczenie nr 1
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
1
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, R 0°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
Ćwiczenie 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 T 0 (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.
2
Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń eksperymentu 1 bez płaszcza ochronnego - grzanie Numer eksperymentu
1
Data
15.03.2014
Typ czujnika
TP-405
Warunki eksperymentu
Rezultaty obliczeń
Wskazania końcowe czujnika
Zainstalowany płaszcz ochronny
NIE
34,0
(asymptota) T2
Amplituda odpowiedzi
Czujnik wymuszający (medium)
5,2
kA = T2-T0
Współczynnik wzmocnienia czujnika
Wskazania początkowe czujnika T0
28,8
k
Temperatura medium T1
40,0
Zastępcze opóźnienie τop
Amplituda wymuszenia A = T1 – T0
11,2
Zastępcza stała czasowa τ
Wyniki pomiarów
Wyniki pomiarów c.d.
Czas
Wskazania czujnika
Czas
Wskazania czujnika
t[s]
[°C]
t[s]
[°C]
0
(T0) – 28,8
70
31,9
5
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
]
3 4,5
[C
yk=kA
3 4
ra
tu
ra
3 3,5
ep
3 3
meT 32,5
3 2
3 1,5
3 1
3 0,5
τop
3 0
2 9,5
2 9
2 8,5
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]
τ
Rys. 2. Wykres zależności temperatury czujnika bez płaszcza ochronnego od czasu - grzanie 3
Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń eksperymentu 1 bez płaszcza ochronnego - chłodzenie Numer eksperymentu
2
Data
15.03.2014
Typ czujnika
TP-405
Warunki eksperymentu
Rezultaty obliczeń
Wskazania końcowe czujnika
Zainstalowany płaszcz ochronny
NIE
31,2
(asymptota) T2
Amplituda odpowiedzi
Czujnik wymuszający (medium)
-3,6
kA = T2-T0
Współczynnik wzmocnienia czujnika
Wskazania początkowe czujnika T0
34,8
k
Temperatura medium T1
40,0
Zastępcze opóźnienie τop
Amplituda wymuszenia A = T1 – T0
5,2
Zastępcza stała czasowa τ
Wyniki pomiarów
Wyniki pomiarów c.d.
Czas
Wskazania czujnika
Czas
Wskazania czujnika
t[s]
[°C]
t[s]
[°C]
0
(T0) – 34,8
100
33,8
5
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
35,5
]
[C
ra
35
tu
rae 34,5
pmeT 34
33,5
33
32,5
32
31,5
31
30,5
0
40
80
120
160
200
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600
640
czas [s]
Rys. 3. Wykres zależności temperatury czujnika bez płaszcza ochronnego od czasu – chłodzenie 4
Tabela 3. Wyniki pomiarów i obliczeń eksperymentu 3 z płaszczem ochronnym – grzanie Numer eksperymentu
3
Data
15.03.2014
Typ czujnika
TP-405
Warunki eksperymentu
Rezultaty obliczeń
Wskazania końcowe czujnika
Zainstalowany płaszcz ochronny
TAK
38,6
(asymptota) T2
Amplituda odpowiedzi
Czujnik wymuszający (medium)
7,9
kA = T2-T0
Współczynnik wzmocnienia czujnika
Wskazania początkowe czujnika T0
30,7
k
Temperatura medium T1
40,0
Zastępcze opóźnienie τop
Amplituda wymuszenia A = T1 – T0
9,3
Zastępcza stała czasowa τ
Wyniki pomiarów
Wyniki pomiarów c.d.
Czas
Wskazania czujnika
Czas
Wskazania czujnika
t[s]
[°C]
t[s]
[°C]
0
(T0) – 30,7
100
36,1
5
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
]
40
[C
y
ra
39
k=kA
tu
rae
38
pme 37
T
36
35
34
τop
33
32
31
30
0
40
80
120
160
200
240
280
320
360
400
τ
czas [s]
Rys. 4. Wykres zależności temperatury czujnika z płaszczem ochronnym od czasu - grzanie 5
Tabela 4. Wyniki pomiarów i obliczeń eksperymentu 4 z płaszczem ochronnym – chłodzenie Numer eksperymentu
4
Data
15.03.2014
Typ czujnika
TP-405
Warunki eksperymentu
Rezultaty obliczeń
Wskazania końcowe czujnika
Zainstalowany płaszcz ochronny
TAK
35,2
(asymptota) T2
Amplituda odpowiedzi
Czujnik wymuszający (medium)
-3,1
kA = T2-T0
Wskazania początkowe czujnika T0
38,3
Współczynnik wzmocnienia czujnika k
Temperatura medium T1
40,0
Zastępcze opóźnienie τop
Amplituda wymuszenia A = T1 – T0
1,7
Zastępcza stała czasowa τ
Wyniki pomiarów
Wyniki pomiarów c.d.
Czas
Wskazania czujnika
Czas
Wskazania czujnika
t[s]
[°C]
t[s]
[°C]
0
(T0) – 38,3
110
37,2
5
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
38,5
]
[C
ra
tu
38
raepmeT 37,5
37
36,5
36
35,5
35
0
30
60
90
120 150 180 210 240
270 300 330 360 390
420 450
480
czas [s]
Rys. 5. Wykres zależności temperatury czujnika z płaszczem ochronnym od czasu – chłodzenie 6
]
40
[C
ra
39
tu
ra
38
ep
37
meT 36
35
34
33
32
31
30
29
28
0
50
100
150
200
250
300
350
400
czas [s]
bez płaszcza
z płaszczem
Rys.6. Wykres zależności temperatury czujnika bez i z płaszczem ochronnym od czasu – grzanie
]
39,5
[Ca
38,5
tur
ra
37,5
pem
Te
36,5
35,5
34,5
33,5
32,5
31,5
30,5
0
40
80
120
160
200
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600
640
czas [s]
bez płaszcza
z płaszczem
Rys.7. Wykres zależności temperatury czujnika bez i z płaszczem ochronnym od czasu – chłodzenie 7
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.
8