Учебное пособие: Методические указания к лабораторной работе 3 изучение потенциометрического

Министерство образования Российской Федерации

Кубанский государственный технологический университет

Кафедра автоматизации производственных процессов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе 3.3

ИЗУЧЕНИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ П-201

для студентов специальности 210100 - Управление

и информатика в технических системах

Краснодар

2003

Составитель канд. техн. наук доцент В.В.Осокин

Метрология, стандартизация и сертификация: Методические указания к лабораторной работе 3.3 – Изучение потенциометрического преобразователя П-201 - для студентов специальности 210100-Управление и информатика в технических системах дневной и заочной форм обучения /Кубан. гос. технол. ун-т; Сост. В.В. Осокин. - Краснодар, 2003.- 11 с.

Приведены цели лабораторной работы и общие сведения, содержащие основные теоретические положения, относящиеся к рассматриваемым вопросам; дано описание лабораторной установки; указаны требования техники безопасности; приведен порядок выполнения работы; сформулированы требования к оформлению отчета, контрольные вопросы; дан список рекомендуемой литературы.

Продолжительность лабораторной работы составляет 4 академических часа, в том числе: экспериментальная часть - 2 часа, расчетно-аналитическая часть - 2 часа.

Библиогр.: 3 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доцент Шелишпанский Б.В.

Нормативные ссылки

В методических указаниях к лабораторной работе 3.3 – Изучение потенциометрического преобразователя П201 - использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 2.301-68 ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 8.120-83 ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений рН.

ГОСТ 8.134-74 ГСИ. Шкала рН водных растворов.

ГОСТ 21.101-97 СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации.

ГОСТ 26.011-80 Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные.

РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Термины и определения.

1 Цели работы

Изучение устройства и принципа действия потенциометрического преобразователя типа П201.

Приобретение навыков определения погрешностей и вариаций преобразователя П201.

2 Общие сведения

Потенциометрические анализаторы предназначены для определения активности ионов в растворах электролитов. Наиболее широко потенциометрические анализаторы применяются для измерения активности ионов водорода, которая характеризуется числом рН [ 1 ].

Потенциометрический преобразователь типа П-201 входит в состав потенциометрического анализатора жидкостей (рН-метра), работает в комплекте с первичными преобразователями: погружаемым (типа ДПг-4М) или магистральным (типа ДМ-5М) [ 2 ].

Потенциометрический нормирующий преобразователь П-201 предназначен для линейного преобразования входного сигнала – электродвижущей силы (ЭДС), поступающей от электродной системы датчика концентрации ионов водорода, в унифицированные аналоговые сигналы постоянного тока и напряжения, изменяющиеся в диапазонах 0…5 мА, 0…100 мВ и 0…10 В по ГОСТ 26.011. Диапазон измерений нормирующего преобразователя от 2 до 12 единиц рН [ 3 ].

Используемый в лабораторной работе потенциометрический преобразователь П-201 настроен на взаимодействие с электродной системой датчика, имеющей статическую характеристику

(1)

где Ех –выходная ЭДС электродной системы датчика, мВ;

t – температура анализируемого раствора, оС.

При измерениях числа рН используется условная шкала в соответствии с ГОСТ 8.134. Государственная поверочная схема для средств измерений рН приведена в ГОСТ 8.120.

Испытания потенциометрического преобразователя состоят из двух частей: сначала определяют погрешности и вариации комплекта, состоящего из преобразователя П-201 и прибора М325, затем – погрешности и вариации одного П-201. В первом случае испытания проводят как при поверке измерительного прибора, во втором – как при поверке измерительного преобразователя.

3 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка содержит смонтированные на стенде средства измерений: преобразователь типа П-201 и миллиамперметр типа М325. На стенде также установлено соединительное устройство, к которому коаксиальным кабелем подключен имитатор электродной системы типа И-01, размещенный на лабораторном столе. Здесь же находится магазин сопротивлений типа Р33. Цифровой вольтметр типа В7-34А размещен на полке.

Преобразователь П-201 воспринимает естественный сигнал напряжения с выхода имитатора И-01, преобразует его в унифицированные сигналы: постоянного тока 0…5 мА и напряжения: 0…10 В, 0…100 мВ. Унифицированный токовый сигнал поступает на стрелочный прибор М325. Унифицированный сигнал напряжения 0…10 В измеряется цифровым вольтметром В7-34А, имеющем на поддиапазоне измерений с верхним пределом 100 В класс точности 0,015/0,002.

Имитатор И-01 имеет три декадных переключателя, с помощью которых его выходной сигнал настраивается в диапазоне 0…1 В. Двумя другими переключателями устанавливаются значения сопротивлений измерительного и сравнительного электродов, входящих в электродную систему датчика.

Магазин сопротивлений Р33 с предельным значением устанавливаемого сопротивления 99999,9 Ом и классом точности 0,2/6×10 ^–6 предназначен для имитации сопротивления ручного компенсатора, вводящего поправку на изменение температуры анализируемого раствора.

4 Техника безопасности при выполнении лабораторной работы

Пакетный выключатель, с помощью которого подается напряжение питания к потенциометрическому преобразователю, может быть включен только после разрешения преподавателя.

При проведении работы категорически запрещается прикасаться к токоведущим частям установки и клеммам.

На лабораторном столе не должно быть лишних посторонних предметов (пакетов, сумок, одежды, пищевых продуктов).

Категорически запрещается выполнять какие-либо переключения в схеме на лабораторной установке без согласования с преподавателем.

5 Порядок выполнения работы

5.1 Подготовьте лабораторную установку к проведению эксперимента, выполните для этого следующие операции:

- начертите заготовки двух таблиц для записей результатов наблюдений и расчетов (черновик протокола поверки), формы таблиц приведены в приложении А;

- подключите магазин сопротивлений Р33 к клеммам «3» и «4» на передней панели лабораторного стенда, установите на магазине сопротивление 1400 Ом, соответствующее введению поправки на температуру раствора, равную 20 оС;

- подготовьте к работе имитатор И-01: переключатель над надписью «Ех» установите в положение «Выкл»; переключатель над надписью «Rи» – в положение «500 МОм»; переключатель над надписью «ЕзRв» – в положение «10 кОм, 0 В»; переключатели над надписью «Милливольты» – в нулевые положения; проверьте наличие заземляющего провода;

- подключите имитатор И-01 коаксиальным кабелем к соединительному устройству: жилу кабеля – к клемме «ИЗМ», оплетку – к клемме «ВСП»;

- подготовьте к работе цифровой вольтметрВ7-34А: проверьте наличие заземляющего провода; подключите вольтметр кабелем к клеммам преобразователя П-201: клемма «Н_х » прибора должная быть подключена к выведенной на переднюю панель стенда плюсовой клемме П-201 (для выходного сигнала 0…10 В); клемма «L_x » должная быть подключена к минусовой клемме П-201;

- подготовьте к работе преобразователь П-201: откройте крышку и установите переключатель в положение «0…10 В».

5.2 Проведите эксперимент по определению погрешностей и вариаций комплекта, состоящего из преобразователя П-201 и прибора М325 - выполните для этого следующие операции:

- после включения преподавателем питания цифрового вольтметра проверьте правильность его индикации: на корпусе В7-34А должны гореть световые индикаторы под кнопками «100», «U=», «Т_о »; на индикаторном табло слева должна индицироваться горизонтальная черта – на верхнем уровне, соответствующем знаку «+», далее должно отображаться произвольное значение результата измерения, справа должен светиться индикатор, соответствующий отсчету результата измерения в вольтах;

- после включения преподавателем питания потенциометрического преобразователя установите на имитаторе И-01 переключателями над надписью «Милливольты» значение 242 мВ; переключатель над надписью «Ех» поставьте в положение «+» – при этом стрелка прибора М325 должна установиться левее отметки «2 рН» на его шкале; уменьшая с помощью переключателей входное напряжение преобразователя П-201, установите стрелку прибора М325 точно на эту отметку шкалы – запишите значение входного напряжения в первую таблицу черновика протокола поверки;

- уменьшая входное напряжение – переключателями над надписью «Милливольты», устанавливайте стрелку прибора М325 на числовые отметки шкалы – последовательно при подходе к каждой отметке слева (прямой ход при поверке) и записывайте соответствующие значения входного напряжения в таблицу;

- после достижения стрелкой прибора конечной отметки шкалы уменьшите входное напряжение на 2 мВ – при этом стрелка установится правее конечной отметки шкалы;

- после примерно минутной задержки увеличивайте входное напряжение преобразователя П-201, устанавливайте стрелку прибора М325 на числовые отметки шкалы – последовательно при подходе к каждой отметке справа (обратный ход при поверке) и записывайте соответствующие значения входного напряжения в таблицу.

5.3 Проведите обработку результатов наблюдений, выполните для этого следующие операции:

- для каждой указанной в первой таблице числовой отметки диапазона показаний прибора М325 рассчитайте и запишите в таблицу значения абсолютных и приведенных погрешностей (для прямого и обратного хода), значения абсолютных и приведенных вариаций – используйте следующие выражения:

, (2)

где - абсолютная погрешность комплекта при прямом ходе, мВ;

- табличное значение напряжения, мВ;

- напряжение, установленное имитатором, мВ;

, (3)

где - приведенная погрешность комплекта при прямом ходе, %;

- нормирующее значение напряжения, мВ.

В свою очередь нормирующее значение представляет собой разность между максимальным и минимальным значениями напряжения на входе преобразователя П-201.

Расчет абсолютных и приведенных погрешностей комплекта для обратного хода проведите по формулам, аналогичным (2) и (3), в которых вместо значений напряжения подставьте значения , устанавливаемые на имитаторе при обратном ходе;

, (4)

где b – абсолютная вариация комплекта, мВ;

, (5)

где bпр – приведенная вариация комплекта, %.

5.4 Проведите эксперимент по определению погрешностей и вариаций преобразователя П-201 по выходному унифицированному сигналу напряжения - выполните для этого следующие операции:

- последовательно устанавливайте на имитаторе И-01 уменьшающиеся значения входного напряжения, соответствующие значениям измеряемой величины: 2, 4, 6, 8, 10, 12 единиц рН – для каждого значения отсчитывайте показания цифрового вольтметра и записывайте их во вторую таблицу черновика протокола поверки (прямой ход при поверке);

- после достижения конечной отметки диапазона измерений уменьшите входное напряжение еще на 2 мВ;

- после примерно минутной задержки последовательно устанавливайте на имитаторе И-01 увеличивающиеся значения входного напряжения, соответствующие значениям измеряемой величины: 12, 10, 8, 6, 4, 2 единиц рН – для каждого значения отсчитывайте показания цифрового вольтметра и записывайте их в черновик протокола поверки (обратный ход при поверке);

5.5 Проведите обработку результатов наблюдений, выполните для этого следующие операции:

- для каждой указанной во второй таблице отметки диапазона измерений преобразователя П-201 рассчитайте и запишите в таблицу значения абсолютных и приведенных погрешностей (для прямого и обратного хода), значения абсолютных и приведенных вариаций – используйте следующие выражения:

, (6)

где - абсолютная погрешность преобразователя при прямом ходе, В;

- показание цифрового вольтметра, В;

- расчетное значение выходного напряжения преобразователя, соответствующее заданному значению его входного сигнала, В;

, (7)

где - приведенная погрешность преобразователя при прямом ходе, %;

Расчет абсолютных и приведенных погрешностей преобразователя для обратного хода проведите по формулам, аналогичным (6) и (7), в которых вместо значений напряжения подставьте значения - показания цифрового вольтметра при обратном ходе;

, (8)

где bп – абсолютная вариация преобразователя, В;

, (9)

где bп.пр – приведенная вариация преобразователя, %.

5.6 Сравните рассчитанные значения погрешностей и вариаций со значениями, допускаемыми классами точности средств измерений, сделайте заключение о пригодности преобразователя к эксплуатации.

5.7 Тумблером выключите питание цифрового вольтметра, с помощью пакетного выключателя выключите питание П-201.

6 Содержание отчета

Отчет о лабораторной работе должен содержать название работы и следующие разделы: цели работы; технические данные используемых средств измерений (тип, диапазон измерений, класс точности, диапазон изменения выходного сигнала); инструкцию для оператора по выполнению работы; результаты работы; оформленный на двух листах протокол поверки преобразователя П-201.

Отчет должен быть оформлен на листах бумаги формата А4 по ГОСТ 2.301, снабженных рамкой и основной надписью по ГОСТ 21.101.

7 Контрольные вопросы

1) Как записывается уравнение Нернста?

2) Как характеризуются кислотные и щелочные свойства жидкостей с помощью числа рН?

3) Какое устройство имеет первичный измерительный преобразователь в потенциометрическом анализаторе жидкостей?

4) Какие виды сигналов используются в потенциометрическом анализаторе жидкостей для передачи измерительной информации?

5) Какое устройство имеет нормирующий преобразователь П-201?

6) Каким образом нормируются погрешности измерительных приборов и преобразователей: первичных и нормирующих?

7) В чем состоит различие между измерительным прибором и измерительным преобразователем?

8) Как могут быть записаны теоретические статические характеристики: электродной системы датчика потенциометрического анализатора, нормирующего преобразователя П-201

9) Как сказывается на статической характеристике электродной системы изменение температуры анализируемой жидкости?

10) Что представляет собой «изопотенциальная точка» на статической характеристике электродной системы датчика?

11) Какой порядок экспериментального определения погрешностей и вариаций потенциометрического анализатора жидкостей?

12) Какими могут быть структурные схемы подсистем ввода аналоговых сигналов от потенциометрических преобразователей в управляющие вычислительные комплексы?

Список литературы

1 Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы/Н.Г.Фарзане, Л.В.Илясов, А.Ю.Азим-Заде. – М.: Высшая школа, 1989. – 456 с.

2 Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы/Г.М.Иванова, Н.Д.Кузнецов, В.С.Чистяков.-М.: Энергоатомиздат, 1984.-232 с.

3 Волошин З.С. Справочник специалиста КИП и А сахарной промышленности/З.С.Волошин, Л.П.Макаренко, В.М.Эрлих.-М.: Агропромиздат, 1985.-287 с.

Приложение А

(обязательное)

Форма протокола поверки преобразователя

ПРОТОКОЛ

"_____"________200__ г.

поверки преобразователя, тип П-201 , номер______________

пределы измерений 2…12 рН , класс точности 1

Образцовые средства измерений

на входе: имитатор, тип И-01, номер ______, класс точности 0,1

верхний предел калиброванного напряжения 1000 мВ

на выходе: цифровой вольтметр, тип_________ , номер______

верхний предел измерений________ , класс точности________

Таблица 1 - Погрешности и вариации измерительного комплекта

Пределы допускаемой основной Наибольшая погрешность ___%

погрешности ± 2 %

Допускаемая вариация 2 % Наибольшая вариация ______%

Таблица 2 - Погрешности и вариации преобразователя

Пределы допускаемой основной Наибольшая погрешность ___%

погрешности ± 1 %

Допускаемая вариация 1 % Наибольшая вариация ______%

Преобразователь (годен или забракован, указать причины)_____________