Динамические характеристики термопреобразователей сопротивлений
ДИНАМИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Практически все средства измерений (СИ) имеют в
своем составе элементы, обладающие механической, тепловой или другой инерцией,
вследствие чего величина сигнала на выходе Y(τ)
зависит не только от величины входного сигнала X(τ),
но и от его формы (скорости изменения) и времени. Инерционные свойства СИ
определяются динамическими характеристиками, которые описываются
дифференциальными уравнениями вида:
(1)
или соответствующей передаточной
функцией:
, (2)
где a1, a2,…, an -
коэффициенты, определяемые из начальных условий; k -
чувствительность СИ.
инерционный измерение термометр
динамический
В зависимости от формы сигнала, подаваемого на
вход СИ при исследовании его динамических свойств, различают временные
(переходные), импульсные и частотные характеристики. Для построения временной
характеристики на вход СИ подается ступенчатое воздействие, амплитуда которого
принята за единицу (рис. 1,
а). Форма временной характеристики определяется динамическими свойствами СИ и
может иметь вид, показанный на рис. 1,
б.
Динамические свойства термометра зависят от его
конструкции и условий теплообмена с окружающей средой. Если пренебречь влиянием
корпуса 2 (рис. 2), то временная характеристика термометра, установленного без
защитного чехла, может быть описана дифференциальным уравнением первого порядка
(кривая 1, рис. 1, б), решением которого является зависимость
, (3)
где k -
чувствительность термометра;
Т - постоянная времени, которая
прямо пропорциональна теплоемкости (с) и массе (m)
чувствительного элемента и обратно пропорциональна площади теплообмена (F) и
коэффициенту теплоотдачи (α) от измеряемой среды к термометру:
. (4)
В ряде случаев для предотвращения
механических повреждений термометры помещают в защитный чехол (рис. 2). Однако
это ухудшает их динамические характеристики, что может быть частично
компенсировано заполнением маслом пространства между термометром и чехлом.
Динамическая характеристика такого термометра описывается дифференциальным
уравнением более высокого порядка (кривая 2, рис. 1, б).
Часто получить точную динамическую
характеристику аналитически невозможно из-за сложной взаимной зависимости
величин, входящих в уравнение, и ее определяют экспериментально. При этом для
упрощения расчетов апериодические звенья высоких порядков заменяют комбинацией
двух звеньев - чистого запаздывания и апериодического первого порядка:
(5)
или звеньями чистого запаздывания и
апериодического второго порядка:
. (6)
, (7)
где t(τ), t0 и t∞ -
текущее, начальное и новое установившиеся значения температуры, и сроят график
зависимости: Y = f(τ) -
переходный процесс.
Далее по виду кривой выбирают динамическую
модель (5) или (6) и определяют ее
параметры.
Если переходный процесс имеет вид кривой 1 (рис.
1,
б), то проводят касательную в точке Y(τ)=0
до пересечения с линией Y(τ)=
Yµ
и находят значения времени запаздывания τз
и постоянной времени T (рис. 3). Графическое построение касательной может быть
выполнено со значительной погрешностью, поэтому за постоянную времени принимают
время, за которое выходная величина достигла значения 0,63 Yµ.
Если переходный процесс имеет вид кривой 2 (рис.
1, б), то могут быть применены зависимости и (5), и (6). Касательную к кривой
проводят в точке максимальной скорости изменения выходной величины (точка
перегиба W) до пересечения с осью абсцисс и линией, соответствующей новому
установившемуся значению (рис. 3).
Если принимают модель (5), то время запаздывания
τз
=
Т0b,
а постоянная времени - T = Тbd. Если принята модель (6),
то время запаздывания τз
= Т0а, Т1 определяется по графику (см. рис. 4)
в зависимости от отношения Тbd/Т2, а Т2 = Тcd.
Литература
1. Волынский В.А. и
др. Электротехника /Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников: Учеб. пособие
для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 528 с., ил.
. Касаткин А.С.,
Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.:
Энергоатомиздат, 2009. - 440 с., ил.
. Основы
промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г.
Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г.
Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2006. - 336 с., ил.
. Электротехника и
электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.1. Электрические и магнитные
цепи. - М.: Высшая шк. - 2006 г.
. Электротехника и
электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные
устройства и электрические машины. - М.: Высшая шк. - 2007 г.