Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
. В последние годы, как было сказано выше, появились возможности использования окислов металла, являющихся полупроводниками, в качестве материала для изготовления термометров сопротивления, которые называются термисторами. Главным достоинством полупроводников по сравнению с металлами является то, что они обладают больш им ТКС, достигающим 2-8 % выше на 1 0 С. Вследствие малой проводимости полупроводника представляется возможным изготовлять полупроводниковые термометры сопротивления с большим сопротивлением, что также является существенным достоинством. Полупроводниковые термометры сопротивления для промышленного применения изготавливают главным образом из германия и смесей различных полупроводниковых веществ в форме цилиндров, шайб и бус, покрытых защитной эмалью. Основные характеристики чувствительных элементов полупроводниковых термометров приведены в таблице 2.13. Терморезисторы являются малоинерционными термометрами, что позволяет их применять для нестационарных тепловых процессов. Большое собственное сопротивление этих термометров позволяет при измерении температуры не учитывать сопротивление соединительных проводов со вторичным прибором. Кроме того, полупроводниковые термометры возможно использовать в качестве бесконтактных температурных сигнализаторов. 86 К недос таткам полупроводниковых термометров можно отнести следующее: − отсутс твие возможности взаимозаменяемости чувствительных элементов термометров вследствие большого разброса номинального значения сопротивления; − нелинейная зависимость сопротивления от температуры; − малая допускаемая тепловая мощность рассеивания при прохождении электрического тока. Таблица 2.13 - Характеристики полупроводниковых термометров сопротивления Тип терморезистора Номинальное сопротивление при 20 0 С, кОм Постоянная В · 10 2 , К Рабочие температуры, 0 С Коэффициент рассеяния, мВт/К Пост. времени, с ММТ-1 1-220 20,6-43 -60 ÷ +125 5 85 ММТ-4 1-220 20,6-43 -60 ÷ +125 6 115 КМТ-1 22-1000 36-72 -60 ÷ +180 5 85 КМТ-11 100-3300 36-72 0 ÷ +125 0,8 10 КМТ-14 0,51-7500 41-70 -10 ÷ +300 0,8 60 КМТ-10 100-3300 36-72 0 ÷ +125 - - Для выпускаемых терморезис торов при измерении температур в диапазоне от – 100 до 300 0 С зависимость их сопротивления от температуры определяется по следующей формуле: T B b t e T A R / ⋅ ⋅ = , (2.30) где Т- абсолютная температура, К; А, В и b – постоянные коэффициенты, определяемые свойствами материала; е – основание натурального логарифма. При использовании терморезис торов в температурных интервалах не более 25 0 С, формула (2.3.) упрощается и имеет вид: T B t e A R / ⋅ = (2.31) 87 2.6.3. Устройствометаллическихтермометровсопротивления Как было отмечено выше, металлические термометры сопротивления изготавливаются из тонкой проволоки, наматываемой на диэлектрический специальный каркас. Материал каркаса термометра, предназначенного для измерения температур выше 100-150 0 С, должен отвечать ряду требований. Он должен обладать хорошими изоляционными качествами и механической прочностью. Материал каркаса должен быть жароустойчивым и не должен оказывать вредного влияния на металлическую проволоку, намотанную на него. Этим требованиям в настоящее время удовлетворяют слюда, плавленый кварц и фарфор. Применение слюды ограничено из-за того, что при температурах выш е 500 0 С из нее выделяется кристаллизационная вода, вследствие чего слюда разбухает, расщепляется и теряет изоляционные свойства. Термометры сопротивления, использующие кварцевые и фарфоровые каркасы, могут применяться при более высоких температурах. При этом предпочтение отдается кварцевым каркасам, т.к. они обладают лучш ими изоляционными качествами. Для изготовления каркаса термометра, предназначенного для измерения температур ниже 100 0 С могут использоваться различные пластмассы, т.к. в этом случае требования жароус тойчивости отпадают (такие каркасы используются в основном у медных термометров сопротивления). Проводниковые выводы, соединяющие теплочувствительный элемент с зажимами, находящимися в головке термометра, не должны оказывать вредного влияния на материал проволоки теплочувствительного элемента. Кроме того, материал проводника термометра должен быть химически стойким и в паре с медными проводами не развивать значительной термо-э.д.с. В технических термометрах, применяемых для измерения температур, не превышающих 150 0 С, применяют медные в ыводы. При более высоких температурах в технических платиновых термометрах используются выводы из серебряной проволоки, а в платиновых термометрах, предназначенных для точных измерений, выводы изготовляют из платины или золота. 88 Материал защитной арматуры, в которую помещается теплочувствительный элемент термометра, не должен химически влиять на проволоку теплочувствительного элемента, должен быть жароустойчив и обладать дос таточно высокой прочностью. Кроме того, арматура термометра должна быть влагонепроницаемой. Различные виды каркасов для металлических термометров сопротивления представлены на рис. 2.28. Рис. 2.28 - Разновидности каркасов термометров сопротивления а- слюдян ой крест : 1- крестообразный каркас; 2- медная или платиновая проволока; 3- выводы из серебряной или платиновой проволоки. б - слюдян ая пластин а ( пластинчатый каркас с зубчатой нарезкой): 2,3- рабочая проволока и выводы, соответс твенно; 4- слюдяные изолирующие пластинки; 5- серебряная укрепляющая пластины лента. в - кварцевый вин товой каркас . г - кварцевый пластин чатый каркас . д - фарфоровый цилин дрический каркас: 1- фарфоровый цилиндр; 2- рабочая проволока; 3- выводы из серебряной проволоки; 4- шамотовая обмазка Применяемые в промышленнос ти платиновые термометры сопротивления (ТСП) и медные (ТСМ) в зависимости от температурного диапазона измерения имеют нормируемое номинальное значение сопротивления при 0 0 С (R 0 ), определяемое соответс твующей градуировкой. Термометры платиновой группы имеют три градуировки Гр.20, Гр.21 и Гр.22, а термометры медной группы - две Гр.23 и Гр.24. Значения сопротивления R 0 для различных градуировок приведено в табл. 2.14. а) б) в) г) д) 89 Таблица 2.14 - Градуировки металлических термометров сопротивления Тип термометра ТСП ТСП ТСП ТСМ ТСМ Градуировка Гр.20 Гр.21 Гр.22 Гр.23 Гр.24 R 0 , Ом 10 46 100 53 100 При выборе термометра сопротивления той или иной градуировки для измерения температуры необходимо руководствоваться свойствами применяемого металла в термометре, указанными выше, а также требованием к чувствительнос ти термометра для измеряемого диапазона. Так для измерения высоких температур можно выбирать градуировку с меньшим номинальным значением сопротивления R 0 , хотя при этом сопротивление соединительных проводов с измерительным прибором будет оказывать большее влияние на результаты измерения. Всем промышленным термометрам сопротивления присваиваются классы точности, определяемые максимально допустимым отклонением сопротивления от градуировочных таблиц. Допустимые отклонения показаний ТСП и ТСМ приведены в таблице 2.15. Значения сопротивления платиновых и медных термометров от температуры приведены в таблице 2.16. При этом максимально допустимые отклонение сопротивления определяются в соответствии с формулой: 100 ) R - (R t 0 100 ⋅ ∆ ± = ∆ R (2.32) Таблица 2.15 - Максимально - допустимые отклонения ТСП и ТСМ от градуировки Тип термометра Класс точности Интервал температур, 0 С Максимальное отклонение ∆t, 0 С 0 ÷ 650 ± (3,0·10 -3 ·t +0,15) ТСП 1 0 ÷ -200 ± (4,5·10 -3 ·t +0,15) 0 ÷ 650 ± (4,5·10 -3 ·t +0,3) ТСП 2 0 ÷ -200 ± (6,0·10 -3 t +0,3) ТСМ 2 -50 ÷ 180 ± (3,5·10 -3 ·t +0,3) ТСМ 3 -50 ÷ 180 ± (6,0·10 -3 ·t +0,3) 90 Таблица 2.16 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 градуи- ровка6 0 С R 0 , Ом Гр.21 7,95 - - - - - - - - - Гр.22 -200 17,28 - - - - - - - - - Гр.21 27,44 25,54 23,63 21,72 19,79 17,85 15,9 13,93 11,95 9,96 Гр.22 -100 59,65 55,52 51,38 47,21 43,02 38,8 34,56 30,29 25,98 21,65 Гр.21 46,0 47,82 49,64 51,45 53,26 55,06 56,86 58,65 60,43 62,21 Гр.22 0 100,0 103,9 107,9 111,9 115,8 119,7 123,6 127,5 131,4 135,2 Гр.21 63,99 65,76 67,52 69,28 71,03 72,76 74,52 76,26 77,99 79,81 Гр.22 100 139,1 142,9 146,8 150,6 154,4 158,2 162,0 165,8 169,5 173,4 Гр.21 81,43 83,15 84,86 86,56 88,26 89,96 91,64 93,33 95,0 96,68 Гр.22 200 177,0 180,7 184,5 188,2 191,9 195,6 199,2 202,9 206,5 210,2 Гр.21 98,34 100,0 101,7 103,3 104,9 106,6 108,3 109,9 111,5 113,1 Гр.22 300 213,8 217,4 221,0 224,6 228,2 231,7 23539 238,8 242,4 245,9 Гр.21 114,7 116,3 117,9 119,5 121,1 122,7 124,3 125,9 127,4 128,9 Гр.22 400 249,4 252,9 256,4 259,8 263,3 266,7 270,2 273,6 277,0 280,4 Гр.21 130,5 132,1 13375 135,2 136,7 138,3 139,8 141,3 142,8 144,3 Гр.22 500 283,8 287,2 290,6 293,9 297,3 300,6 303,9 307,2 310,5 313,8 Гр.21 145,8 147,4 148,8 150,3 151,8 153,3 154,8 156,2 157,7 159,2 Гр.22 600 317,1 320,3 323,6 326,8 330,0 333,3 336,5 339,6 342,8 346,0 Гр.21 160,6 162,0 163,5 164,9 166,4 - - - - - Гр.22 700 349,1 352,3 355,4 358,5 361,7 - - - - - Гр.23 41,71 - - - - - - - - - Гр.24 -50 78,7 - - - - - - - - - Гр.23 53,0 55,26 57,52 59,77 62,03 64,29 66,55 68,81 71,06 73,32 Гр.24 0 100,0 104,3 108,5 112,8 117,0 121,3 125,6 129,8 134,1 138,3 Гр.23 75,58 77,84 80,09 82,35 84,61 86,87 89,13 91,38 - - Гр.24 100 142,6 146,9 151,1 155,4 159,6 163,9 168,2 172,4 - - Гр.23 93,64 - - - - - - - - - Гр.24 180 176,7 - - - - - - - - - 6 Для термометров Гр.20 (R 0 =10 Ом) используются значения R 0 для Гр.22, деленные на 10. 91 Пример 2.6. Пользуясь данными таблицы 2.14 и 2.15, определить сопротивление медного термометра градуировки Гр.24 2-го класса точности при температуре 155 0 С, а также максимальное и минимальное допустимое сопротивление его при этой температуре. Для определения сопротивления воспользуемся формулой (2.28), в соответствии с которой R t = R 0 · (1+ α · 155). Температурный коэффициент сопротивления меди α определим по формуле (2.29): ) ( 00426 , 0 100 100,0 - ,6 142 100 1 100 1 1 0 1 0 0 0 − = = − = С R R R α Поскольку сопротивление термометра при температуре 0 0 С составляет 100 Ом, то отсюда получим: R t = 100 · (1+0,00426 · 155) = 166,03 ( Ом). Принимая во внимание, что зависимость сопротивления медного термометра от температуры линейна, то, интерполировав табличные значения его сопротивлений для точек 160 и 150 0 С, определяем R 155 = 166,03 ( Ом), что совпадает с расчетным значением сопротивления R t термометра. Максимальное отклонение сопротивления термометра при расчетной температуре в соответствии с (2.32) не должно превышать: 359 , 0 100 100) - (142,6 ) 3 , 0 155 10 5 , 3 ( 3 = ⋅ + ⋅ ⋅ ± = ∆ − R ( Ом) . Отсюда R 155 max = 166,03 + 0,359= 166,389 ( Ом), а R 155 min = 166,03 – 0,359= 165,671 ( Ом). 2.7. Приборы, применяемыестермометрамисопротивления 2.7.1. Компенсационныйметодизмерениясопротивления Компенсационный метод измерения сопротивления обычно применяется для проведения точных измерений лабораторными термометрами сопротивления , а также при градуировке этих термометров При этом термометры сопротивления долж ны быть снабжены четырьмя выводящ ими проводниками : двумя токовыми и двумя потенциальными Данный метод обеспечивает высокую точность и не требует введения поправки на сопротивление подводящ их проводников Измерение сопротивлений по данному методу производится при помощи потенциометров , поэтому этот метод часто называют потенциометрическим Схема измерения сопротивления термометра потенциометрическим методом приведена на рис 2.29. 92 R О R К R T I Потенциометр П В этой схеме термометр сопротивления R T последовательно включен с образцовым сопротивлением R О в цепь источника постоянного тока I, сила которого регулируется резистором R К и устанавливается по разности потенциалов на сопротивлении R О В качестве образцового сопротивления используются образцовые катушки сопротивления класса точности 0,01 или 0,02, а также магазин сопротивления соответствующего класса , общий вид которого приведен на рис . 2.30. Измерения по приведенной схеме производятся путем последовательного подключения сопротивлений R О и R T к потенциометру с помощью переключателя П При этом для расчетов пользуются следующими соотношениями : U O =I · R O ; U T = I · R T , (2.33) откуда O O T T R U U R ⋅ = , (2.34) где I – сила тока в измерительной цепи ; U O , U T – падение напряжения на соответс твующих сопротивлениях Рис .2.29 - Метод измерения сопротивления термометра потенциометром Рис .2.30 - Магазин сопротивления 93 Здесь следует иметь в виду , что ток , проходящий через термометр сопротивления , вызывает дополнительный его нагрев , поэтому он должен быть по возможности минимальным ( до 5 мА ), а падение напряжения на резис торах не превышает нескольких десятков миллиампер В связи с этим в качестве измерительных приборов здесь применяются лабораторные низкоомные потенциометры класса 0,01 или 0,02. 2.7.2. Уравновешенныемосты Уравновешенные четырехплечные мосты являются наиболее простыми и распространенными приборами для измерения сопротивления термометра как при градуировке , так и при измерениях температуры в лабораторных условиях При измерении сопротивления термометра с помощью уравновешенных мостов используется нулевой метод или метод отклонения Необходимо отметить также , что мосты применяются не только для работы с термометрами сопротивления , но и датчиками других физических величин , выходным сигналом которых является изменение сопротивления от измеряемой величины Принципиальная схема уравновешенного моста с термометром сопротивления R T , включенным в одно из его плеч , приведена на рис . 2.31, для которого сопротивление остальных трех плеч R 1 , R 2 и R 3 известны Рис .2.31 - Принципиальная схема четырехплечного измерительного моста R 3 R 1 R T А R 2 + - В С D I 1 I 2 94 Определим условие равновесия для данного моста Равновесием моста считается отсутс твие тока в измерительной его диагонали CD (I CD = 0), что достигается в случае разности потенциалов U CD = 0. При подаче напряжения постоянного тока в диагональ питания АВ , по ветвям моста АСВ и AD B потекут токи I 1 и I 2 , которые определятся в соответс твии со следующими выражениями : 2 1 1 R R U I AB + = и 3 Т 2 R R U I AB + = , а потенциалы в точках C и D определятся падением напряжения на сопротивлениях R 1 и R T по формулам : U C = I 1 · R 1 = 1 2 1 R R R U AB ⋅ + и U D = I 2 · R T T AB R R R U ⋅ + = 3 Т Отсюда из условия равновесия моста получаем следующее соотношение : U CD = U C – U D = 1 2 1 R R R U AB ⋅ + - T AB R R R U ⋅ + 3 Т = 0 или = + 2 1 1 R R R 3 Т R R R T + После проведения соответствующ их преобразований , окончательно получим : R 1 · R 3 = R T · R 2 (2.35) Таким образом , для равновесия моста необходимо и достаточно , чтобы произведения его противолежащих плеч были равны Как видно из соотношения (2.35), равновесие моста не зависит от величины питающего напряжения U A B , что является преимуществом данного моста Для измерения сопротивления R T урав новешенным мостом пользуются выражением , вытекающим из соотношения (2.35) 1 2 3 R R R R T ⋅ = , 95 из которого видно , что уравновесить мост можно изменением сопротивления R 1 при постоянном отношении баллас тных плеч R 3 / R 2 , т е каждому значению сопротивления термометра соответствует определенное значение сопротивления сравнительного плеча R 1 при выбранном отношении R 3 / R 2 Общий вид уравновешенного моста для измерения сопротивления в лабораторных условиях представлен на рис . 2.32. Измерение сопротивлений при помощ и данного моста осуществляется следующим образом Сопротивление R T подключается к измерительным клеммам Затем , вращая ручки четырех декадных потенциометров , добиваются нулевого показания гальванометра , что соответс твует равновесию моста Отсчет показаний производится по шкалам потенциометров , определяющим значение R 1 при соответс твующем положении переключателя коэффициента умножения 2 3 R R К = , имеющего десятикратное изменение шага в интервале от 0,001 до 1000 ( максимальное значение R 1 при К = 1 составляет 9999 Ом ). Рис . 2.32 - Мост постоянного тока типа МО -56 Пример |