1. Opisać metody, środki techniczne i zasadę działania układów do pomiaru temperatury.
Metody wykorzystywane do pomiaru temperatury można podzielić na:
a) Stykowe – (pomiary termometrami) czujnik temperatury ba bezpośredni kontakt z ciałem lub badanym ośrodkiem i wymienia ciepło na drodze przewodzeniem, konwekcji lub promieniowania. W wyniku zaburzenia czujnikiem ciała lub ośrodka zostaje zdeformowane pole temperatury, a powstałe błędy zależą od charakterystyki ośrodka i czujnika.
b) Bezstykowe - (pomiary pirometrami) czujnik wykorzystuje zjawisko wysyłania promieniowania cieplnego przez nagrzane ciała. Pomiary polegają na pomiarze wielkości charakteryzującej promieniowanie i zależnej od temperatury. Najczęściej stosuje się pirometry:
- pirometr optyczny całkowitego promieniowania,
- pirometr fotoelektryczny,
- pirometr monochromatyczny z zanikającym włóknem,
- pirometr dwubarwowy.
Do pomiarów temperatury wykorzystuje się bardzo różne środki techniczne zależnie od potrzeb, zakresu temperatur i możliwości adaptacji określonego typu przyrządów do danego celu. W technice wykorzystuje się najczęściej różnego rodzaju termometry które można podzielić zasadniczo na nieelektryczne i elektryczne.
1. Termometry nieelektryczne.
a) Termometry rozszerzalnościowe – wykorzystują zmianę objętości gazów, cieczy lub ciał stałych przy zmianie temperatury. Wyróżnić tu można najczęściej spotykane:
- termometry cieczowe – wykorzystują zjawisko zmiany objętości cieczy wraz z temperaturą. Jako ciecze termometryczne stosuje się rtęć, alkohol itp.
- Termometry dylatacyjne – wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieplnej ciał stałych. Czujnik takiego termometru wykonany jest zazwyczaj jako rurka z materiału o dużym współczynniku rozszerzalności liniowej, umocowanej sztywno w obudowie , w której umieszczony jest układ pomiarowy zmian jej długości.
- Termometry bimetalowe – wykorzystują zjawisko odkształceń materiału bimetalowego (dwa metale o różnych współczynnikach liniowej rozszerzalności cieplnej sztywno ze sobą połączone).
b) Termometry manometryczne – wykorzystują zjawisko zmiany ciśnienia wrat ze zmianą temperatury ciała termometrycznego. Termometry te można podzielić na cieczowe, gazowe i parowe.
- Termometry cieczowe ciśnieniowe – ciecz termometryczna wypełnia zamknięty układ składający się z czujnika, układu pomiarowego (rurka Bourdona) i kapilary łączącej. Jako ciecze termometryczne używa się tu rtęci (-30 – 600 °C) ciecze organiczne np.: nafta (-35 – 350 °C).
- Termometry ciśnieniowe parowe – opierają się na właściwości że ciśnienie pary nasyconej jest jednoznaczną funkcją temperatury. Pod względem konstrukcyjnym termometr jest podobny do ciśnieniowego cieczowego. Czujnik jest zazwyczaj wypełniony do 2/3 objętości cieczą i w 1/3 objętości parą nasyconą przy dolnym zakresie pomiarowym termometru.
2. Termometry elektryczne.
Pomiar temperatury za pomocą tych termometrów opiera się na zasadzie wykorzystania pewnych właściwości elektrycznych materiałów, zależnych od temperatury. Ze względu na charakter sygnału z czujnika, czujniki tych termometrów można podzielić na:
a) generacyjne – są ogniwami termoelektrycznymi, w których zmiana temperatury powoduje powstanie siły elektromotorycznej (siła termoelektryczna).
- z czujnikiem termoelektrycznym –200 – 2400 °C.
Rys.3. Układ połączeń do pomiaru temperatury termoelementem metodą wychyłową. 1-spoina pomiarowa, 2-termoelement, 3-spoina odniesienia, 4-przewody łączeniowe.
b) parametryczne – wykorzystują zmianę jednego z parametrów elektrycznych , wywołanych zmianą temperatury (np.: rezystywności, przenikalności magnetycznej, przenikalności dielektrycznej). Najczęściej stosowane są tutaj:
- termometry rezystancyjne metalowe (np.: platynowe) zakres –270 – 1000 °C,
- termometry rezystancyjne półprzewodnikowe 100 – 300°C; 0,15 – 20K lub 800 – 1000°C,
- termometry rezystancyjne z czujnikami elektrolitycznymi,
- termometry z czujnikami magnetycznymi (zakresy poniżej 4 K),
- termometry z czujnikami pojemnościowymi,
- termometry oparte na zjawiskach szumów cieplnych w półprzewodnikach (100 – 1500 K)
3. Termometry specjalne.
Poza termometrami elektrycznymi i nieelektrycznymi stosuje się bezpośrednie metody przybliżonego określenia temperatury wśród których wymienić można:
a) metody barwne
- termofarby,
- termokredki.
b) stożki Segera,
c) metoda metalograficzna,
d) metoda termowizyjna,
e) metoda kalorymetryczna.
2. Narysować schemat blokowy i opisać działanie układu stabilizacji prędkości obrotowej silnika głównego. Omówić charakter zakłóceń oddziaływujących na układ.
W celu zapewnienia stałej prędkości obrotowej silnika głównego niezależnie od obciążenia stosuje się układy stabilizacji prędkości obrotowej silnika. Zadanie to wykonują regulatory prędkości obrotowej zapobiegające zmianom prędkości wywołanym przez zakłócenia działające na obiekt jaki stanowi silnik główny, którymi mogą być:
a) zakłócenia zewnętrzne działające na statek (układ silnik-śruba):
- zmienny wiatr,
- prądy morskie,
- falowanie morza,
- zmiany głębokości,
- różne stany zanurzenia statku,
- różne stany kadłuba itp.
b) zakłócenia związane z procesami termodynamicznymi zachodzącymi w silniku:
- zmienna temperatura wody zaburtowej,
- zmienna temperatura powietrza,
- zmienne ciśnienie barometryczne,
- różne rodzaje paliwa itp.
W celu maksymalnego ograniczenia tych niepożądanych tych niepożądanych zjawisk, silniki napędu głównego wyposaża się w regulatory wielozakresowe.
Regulator oddziałuje na silnik, a ściślej na układ wtryskowy wówczas gdy moc rozwijana różni się od mocy pobieranej przez odbiornik mocy – śrubę napędową lub prądnicę wałową.
Moc zależy od wielkości wtryskiwanej dawki paliwa, zatem zrównoważenie mocy silnika z mocą odbiornika polega na oddziaływaniu regulatora na pompę wtryskową w kierunku dostosowania jej chwilowej wydajności do zapotrzebowanej mocy. Chwilowa nierównomierność mocy silnika i odbiornika powoduje zmiany prędkości obrotowej silnika, które wykorzystuje się jako sygnał regulacyjny.
Rys.2. Uproszczony blokowy schemat układu regulacji prędkości obrotowej silnika.
Na rys.2. przedstawiono blokowy schemat stabilizacji prędkości obrotowej silnika głównego i zależności występujące pomiędzy silnikiem (obiekt sterowania) a regulatorem prędkości. Regulator pobiera sygnał zmian prędkości obrotowej silnika Dn (zależny od zmian obciążenia) tj. sygnał różnicy prędkości zadanej i rzeczywistej. Na tej podstawie wypracowuje sygnał zmiany nastawy dawki paliwa (np.: skok listwy paliwowej) Dh pompy wtryskowej. Pompa wtryskowa zmienia przez to chwilową wydajność Ddw tak aby zmiana prędkości obrotowej silnika była minimalna (Dn®0).
3. Opisać metodę doboru nastaw według Hanssena i Offereinsa oraz porównać tę metodę z regułą doboru nastaw według Pessena.
Metody ścisłej analizy teoretycznej, które umożliwiają wyznaczenie dowolnych właściwości układu regulacji automatycznej, nie nadają się do wyznaczenia wartości nastaw regulatorów uniwersalnych. Podstawowym problemem dotyczącym doboru parametrów regulatorów, jest taki dobór wartości nastaw, przy których uzyskujemy zadowalające działanie układu. Najbardziej rozpowszechnionymi metodami oprócz metody Zieglera – Nicholsa są metoda Hanssena i Offereinsa oraz metoda Pessena.
Stosując metodę Pessena, regulator połączony z obiektem ustawia się na działanie proporcjonalne (P). Działanie całkujące i różniczkujące powinny być wyłączone przez nastawienie Ti = ∞ oraz Td = 0. Następnie zwiększając stopniowo wzmocnienie kp regulatora doprowadza się układ do granicy stabilności, czyli aż do wystąpienia oscylacji niegasnących w układzie. Notując wartość współczynnika wzmocnienia regulatora kkr, przy którym powstają oscylacje niegasnące, oraz okres Tosc tychże oscylacji, przyjmuje się następujące nastawy regulatora:
kp = 0,2 kkr
Ti = 0,33 Tosc
Td = 0,5 Tosc
Jak widać różnica pomiędzy metodą Zieglera – Nicholsa i metodą Pessena polega na innych wartościach współczynników we wzorach na stałe nastaw.
Metoda doboru nastaw regulatorów według Hanssena i Offereinsa ściśle opiera się na metodzie Zieglera – Nicholsa. Zasadniczą różnicą jest pominięcie w metodzie Hanssena i Offereinsa pomiaru okresu oscylacji.
Regulator typu PI nastawia się w następujący sposób:
· nastawić czas całkowania Ti = ∞ (wartość maksymalna),
· doprowadzić układ do granicy stabilności i określić kpkr, zwiększając współczynnik wzmocnienia regulatora kp,
· przyjąć nastawę kp = 0,45 kpkr,
· zmniejszać czas całkowania Ti do Tikr, przy której występuje niestabilność układu,
· nastawić Ti = 3 Tikr.
W przypadku regulatora typu PID należy postępować następująco:
· wykonać wszystkie czynności jak dla regulatora PI,
· zwiększać czas różniczkowania Td do wartości Tdmax, przy której występuje maksymalne tłumienie,
· nastawić Td = 1/3(Tdmax),
· ustawić czas całkowania Ti = 4,5 Td,
· zmniejszać kp, aż do uzyskania pożądanego tłumienia.
Podsumowując porównanie metody Hanssena i Offereinsa oraz metody Pessena należy zauważyć , że cechą wspólną jest doprowadzanie układu do granicy stabilności (wyznaczanie kp krytycznego), natomiast różnica tkwi w eliminacji pomiaru okresu oscylacji krytycznych w metodzie Hanssena i Offereinsa. Ponadto należy zauważyć, że metoda Pessena jest metodą o mniejszej ilości etapów podczas dokonywania procesu nastawy regulatora.
Pod wpływem zakłóceń lub zamierzonej zmiany nastaw układ regulacji przechodzi z jednego stanu ustalonego w drugi. W czasie zmiany stanów przechodzi przez cały zakres parametrów nieustalonych (przejściowych). Proces przejścia pomiędzy stanami ustalonymi nosi nazwę procesu przejściowego. Poniżej przedstawiono parametry procesu regulacji oraz przebiegi przejściowe w układach regulacji (rys.11).
Proces regulacji charakteryzują takie parametry jak:
a) czas regulacji tu – jest to czas mierzony od chwili przyłożenia wymuszenia do chwili po której odchylenie regulacji osiągnie wartość mniejszą od dopuszczalnej.
b) uchyb maksymalny em- odchylenie maksymalne od wartości zadanej :
- ...
marcin0732