1

PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA

W

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

2

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.

3

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

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
k

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]

0

(T

0

) – 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

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

4

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

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
k

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]

0

(T

0

) – 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

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

5

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

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
k

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]

0

(T

0

) – 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

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

6

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

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]

0

(T

0

) – 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

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

7

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

8

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.