ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8
Измерение температуры с помощью термометров сопротивления и мостовых измерительных схем
1. Цель работы.
1.1. Ознакомление с принципом действия и техническим устройством термометров сопротивления.
1.2. Ознакомление с устройством и работой автоматических электронных мостов.
1.3. Изучение двух и трех проводной схемы подключения термометров сопротивления.
2. Общие сведения.
2.1. Устройство и работа термометров сопротивления.
Термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от -200 до +650 0С.
Принцип действия металлических термометров сопротивления основан на свойстве проводников увеличивать электрическое сопротивление при нагревании. Теплочувствительный элемент термометра сопротивления представляет собой тонкую проволоку (медную или платиновую), спирально намотанную на каркас и заключенную в чехол.
Электрическое сопротивление проволоки при температуре 00С строго определенное. Измеряя прибором сопротивление термометра сопротивления, можно точно определить его температуру. Чувствительность термометра сопротивления определяется температурным коэффициентом сопротивления материала, из которого сделан термометр, т.е. относительным изменением сопротивления теплочувствительного элемента термометра при нагревании его на 1000С. Так, например, сопротивление термометра, выполненного из платиновой проволоки, при изменении температуры на 1 0С изменяется примерно на 36 процентов.
Термометры сопротивления, например, по сравнению манометрическими обладают рядом преимуществ: более высокой точностью измерения; возможностью передачи показаний на большие расстояния; возможностью централизации контроля путем присоединения нескольких термометров к одному измерительному прибору (через переключатель).
Недостаток термометров сопротивления - необходимость в постороннем источнике питания.
В качестве вторичных приборов в комплекте с термометром сопротивления применяются обычно автоматические электронные мосты. Для полупроводниковых термосопротивлений измерительными приборами обычно служат неуравновешенные мосты.
Для изготовления термометров сопротивления, как отмечалось выше, применяются чистые металлы (платина, медь) и полупроводники.
Платина наиболее полно отвечает основным требованиям, предъявляемым к материалу для термометров сопротивления. В окислительной среде она химически инертна даже при очень высоких температурах, но значительно хуже работает в восстановительной среде. В условиях восстановительной среды чувствительный элемент платинового термометра должен быть герметизирован.
Изменение сопротивления платины в пределах температур от 0 до +6500С описывается уравнением
Rt =Ro (1+at+bt2), где Rt, Ro -сопротивление термометра соответственно при 00С и температуре t
a, b -постоянные коэффициенты, значения которых определяются при градуировке термометра по точкам кипения кислорода и воды.
К достоинствам меди, как материала для термометров сопротивления, следует отнести ее дешевизну, легкость получения в чистом виде, сравнительно высокий температурный коэффициент и линейную зависимость сопротивления от температуры:
Rt =Ro (1+at), где Rt, Ro - сопротивление материала термометра, соответственно при 00С и температуре t;
a - температурный коэффициент сопротивления (a =4,26*Е-3 1/град.)
К недостаткам медных термометров относится малое удельное сопротивление и легкая окисляемость при температуре выше 1000С. Полупроводниковые термосопротивления. Существенным преимуществом полупроводников является их большой температурный коэффициент сопротивления. Кроме того, вследствие малой проводимости полупроводников из них можно изготовить термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической схемы термометра. Отличительной особенностью полупроводниковых термометров сопротивления является отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Поэтому при повышении температуры сопротивление полупроводников уменьшается.
Для изготовления полупроводниковых термосопротивлений применяют окислы титана, магния, железа, марганца, кобальта, никеля, меди и др. или кристаллы некоторых металлов (например германия) с различными примесями. Для измерения температуры наиболее часто применяют термосопротивления типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5, КМТ-1 и КМТ-4. Для всех термосопротивлений типов ММТ и КМТ в рабочих интервалах температур сопротивление меняется от температуры по экспоненциальному закону.
Серийно выпускаются платиновые термометры сопротивления (ТСП) для температур от -200 до +180 0С и медные термометры сопротивления (ТСМ) для температур от-60 до +180 0С. В этих пределах температур существует несколько стандартных шкал.
Все серийно выпускаемые платиновые термометры сопротивления имеют условные обозначения: 50П, 100П, что соответствует при 00С 50 ом и 100 ом. Медные термометры сопротивления имеют обозначения 50М и 100М.
Как правило, измерение сопротивления термометров сопротивления производится с помощью мостовых измерительных схем (уравновешанные и неуравновешенные мосты).
2.2. Устройство и работа автоматических электронных равновесных мостов.
Автоматические электронные мосты - это приборы, работающие с различными датчиками, в которых измеряемый технологический параметр (температура, давление и т.п.) может быть преобразован в изменение сопротивления. Наиболее широко автоматические электронные мосты применяются в качестве вторичных приборов при работе с термометрами сопротивления.
Принципиальная схема уравновешенного моста приведена на рис.1. На рис.1-а показана схема уравновешенного моста при двухпроводном включении измеряемого сопротивления Rt, являющегося вместе с соединительными проводами плечом моста. Плечи R1 и R2 имеют постоянное сопротивление, а плечо R3 является реохордом (переменным сопротивлением). В диагональ ab включен источник питания схемы, а в диагональ сd-нуль-прибор 2.
а) б)
Рис.1. Принципиальная схема уравновешенного моста. а) двухпроводная схема подключения б) трехпроводная схема подключения.
Шкала моста располагается вдоль реохорда, сопротивление которого при изменении Rt изменяют путем перемещения движка 1 до тех пор, пока стрелка нуль прибора 2 не установится на нулевую отметку. В этот момент ток в измерительной диагонали отсутствует. Движок 1 связан с указателем шкалы.
При равновесии моста имеет место равенство
R1*R3=R2*(Rt+2*Rпр)
откуда
Rt=(R1/R2)*R3-2*Rпр
Отношение сопротивлений R1/R2, а также сопротивление соединительных проводов Rпр для данного моста величины постоянные. Поэтому каждому значению Rt соответствует определенное сопротивление реохорда R3, шкала которого градуируется либо в Омах, либо в единицах неэлектрической величины, для измерения которой предназначена схема, например, в градусах Цельсия.
При наличии длинных проводов, соединяющих датчик с мостом по двухпроводной схеме, изменение сопротивления и в зависимости от температуры окружающей среды (воздуха) может внести значительные погрешности в измерение сопротивления Rt. Радикальное средство устранения указанной погрешности - замена двухпроводной схемы трехпроводной (рис.1-б).
В схеме уравновешенного моста изменение напряжения источника питания не влияет на результаты измерения.
В автоматических уравновешенных электронных мостах для уравновешивания схемы используется следующая схема. Принципиальная схема электронного моста типа КСМ изображена на рис.2. В основу работы электронного моста положен принцип измерения сопротивления методом равновесного моста.
Мостовая схема состоит из трех плеч с сопротивлениями R1,R2,R3, реохорда R и четвертого плеча, содержащего измеряемое сопротивление Rt. К точкам с и d подключен источник питания.
При определении значения сопротивления протекающие по плечам моста токи создают в точках a и b напряжение, фиксируемое нуль-индикатором 1, подключенным к этим точкам. Перемещая движок 2 реохорда R с помощью реверсивного двигателя 4, можно найти такое положение равновесия схемы, при котором напряжения в точках a и b будут равны. Следовательно, по положению движка 2 реохорда можно найти величину измеряемого сопротивления Rt.
В момент равновесия измеряемой схемы положение стрелки 3 определяет значение измеряемой температуры (сопротивление Rt). Регистрация измеряемой температуры приводится с помощью пера-5 на диаграмме 6.
Электронные мосты подразделяют по числу точек измерения и записи на одноточечные и многоточечные (3-,6-,12- и 24 точечные), с ленточной диаграммой и приборы с дисковой диаграммой. Электронные мосты выпускаются с классами точности 0,5 и 0,25.
Записывающее устройство многоточечного прибора состоит из печатающего барабана с нанесенными на его поверхности точками и цифрами.
Приборы питаются от сети переменного тока напряжением 127 и 220В, а измерительная цепь моста питается постоянным током напряжением 6,3 В от силового трансформаторного прибора. Приборы с питанием от сухого элемента применяются в тех случаях, когда датчик устанавливается в пожароопасных помещениях.
3. Калибровка датчиков температуры
Термопреобразователь сопротивления подключают к измерительному прибору с помощью медных (иногда алюминиевых) проводов, сечение, протяженность, а следовательно, и сопротивление которых определяется конкретными условиями измерения.
В зависимости от способа присоединения термопреобразователя сопротивления к измерительному прибору - по двухпроводной или трехпроводной схеме (рис.1. ,вариант "а" и "б"), сопротивление проводов входит целиком в одно плечо мостовой схемы прибора, либо делится поровну между ее плечами. В обоих случаях показания прибора определяются не только сопротивлением термопреобразователя сопротивления, но и соединительных проводов. Степень влияния соединительных проводов на показания прибора зависит от величины их сопротивления. Так, в каждых конкретных условиях измерения, т.е. при каждом конкретном значении этого сопротивления, показания одного и того же прибора, измеряющего одну и ту же температуру (когда термопреобразователь имеет одно и то же сопротивление) будет различными. Для устранения такой неопределенности измерительные приборы градуируют при каком-либо определенном стандартном сопротивлении соединительных проводов, которое обязательно указывается на их шкале записью, например Rвн=5Ом. Если при эксплуатации прибора соединительная линия будет иметь такое же сопротивление, показания прибора будут правильными. Поэтому измерениям должна предшествовать операция подгонки соединительной линии, заключающаяся в доведении ее сопротивления до указанного градуировочного значения Rвн.
Сопротивление соединительной линии даже при тщательной подгонке равно градуировочному значению только в том случае, когда температура окружающего воздуха не отличается от той, при которой велась подгонка. Изменение температуры линии приведет к изменению сопротивления медных (алюминиевых) проводов, нарушению правильности подгонки и в конечном счете, к появлению температурной погрешности показаний прибора. Эта погрешность особенно сказывается при 2-х проводной линии связи, когда температурное приращение сопротивления линии имеет место только в одном
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
