ЛР17_Малков_АТСб-21. Термометры сопротивления

• Название: Термометры сопротивления
• Дата: 12.01.2023
• Размер: 103.65 Kb.
• Имя файла: ЛР17_Малков_АТСб-21.docx
• Тип: Документы; #883953

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Кафедра автоматизированных систем управления

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17

по дисциплине «Метрология и средства измерений»

«ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ»

Выполнил: студент Малков. О.Е Группа: АТСб-21-1

Шифр: 27.03.04 «Управление в технических системах» Курс: 2

Проверил: ст. преподаватель кафедры АСУ Самарина И.Г.


Магнитогорск 2022

Цель работы:

1. 
   Изучить принцип действия и устройство термометров сопротивления. Стандартные и полупроводниковые термометры сопротивления.
   
2. 
   Ознакомиться с характеристиками металлических полупроводниковых термометров сопротивления.
   
3. 
   Овладеть методикой для определения показателя тепловой инерции термометра сопротивления.
   
4. 
   Ознакомиться с устройством и методикой измерения сопротивления различными приборами.
   

1. Теоретическое введение

Терморезисторомназывается проводник или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления, находящийся в теплообмене с окружающей средой. Теплообмен может происходить различными путями: конвекцией, теплопроводностью среды, теплопроводностью самого проводника и излучением.

Терморезисторы, используемые для измерения температуры, часто называют термометрамисопротивления. Их принцип действия основан на изменении электрического сопротивления под действием температуры R = f(t). Они применяются для измерения температуры в диапазоне от –270 до 1600°С. По типу используемого материала различают металлические и полупроводниковые терморезисторы.

Основные факторы, влияющие на погрешность измерения температуры технологических объектов – это инерционность термодатчиков, неправильная их установка, нарушение условий монтажа и эксплуатации приборов.

Инерционность термодатчиков проявляется с увеличением скорости изменения температуры объекта, так как возникает значительная разница в показаниях прибора и истинной температурой объекта.

При использовании термодатчиков в агрессивной среде и высоких давлениях за счет использования соответствующих защитных гильз значительно увеличивается их инерционность. Для уменьшения инерционности зазор между датчиком и установочной гильзой по всей длине заполняют средой с большой теплопроводностью. При рабочей температуре 0...200 °С используют компрессионное масло, при температуре свыше 200 °С

– чугунные или бронзовые опилки.

Термометры сопротивления по точности подразделяют на три класса; по инерционности – на малоинерционные (до 9с), среднеинерционные (10...80с), высокоинерционные (до 4 мин).

В соответствии с требованиями производства датчики температур имеют различную монтажную (установочную) длину в интервале 60...3200 мм.

Медные термометры сопротивления применяются для измерения температуры в диапазоне от -180°С до 200°С часто используют выпускаемые серийно. Медные

терморезисторы обозначают ТСМ (термосопротивления медные). Градуировка ТСМ: 10М, 50М, 100М (буква М обозначает материал, из которого сделан термометр сопротивления, цифра обозначает номинальное сопротивление, соответствующее 0°С), а также используются градуировки гр. 23 имеет сопротивление 53,0 Ом при 0°С; гр. 24 имеет сопротивление 100,0 Ом при 0°С;

Чувствительный элемент медного терморезистора, рис. 1 а, представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0 – 1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол, рис. 1 б, который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.




Рис. 1. Конструкция термометра сопротивления медного

Достоинством применения меди, как материала, является дешевизна, простота получения тонкой проволоки в различной изоляции, возможно получения высокой чистоты меди, линейная характеристика.

Недостаткималое удельное сопротивление , интенсивное окисление при невысоких температурах.

Платиновые термометры сопротивления представляет собой неизолированную платиновую проволоку 2 диаметром 0,05...0,07 мм, рис. 2, намотанную на каркас размером 100х10 мм. Обмотка укладывается в зубчатую нарезку на краях каркаса. В качестве каркаса используют материалы, обладающие термостойкостью и высокими электроизоляционными свойствами: слюду, кварц, фарфор.

К концам обмотки припаиваются выводы 3 из серебряной проволоки, которые изолируют фарфоровыми бусами. В термометрах сопротивления, предназначенных для измерения температуры до 100 0С, возможно применение выводов из меди.


Рис. 2. Конструкция термометра сопротивления платинового

Обмотку с каркасом заключают между двух слюдяных прокладок 4, затем всю конструкцию собирают в пакет серебряной лентой и заключают в тонкостенную алюминиевую трубку, а затем в чехол из нержавеющей стали. Выводы датчика подключают к зажимам специальной платы, установленной в головке защитного чехла.

^{Обозначаются ТСП соответствующей градуировкой: гр. 20 имеет сопротивление R}0

=10,0 Ом при 0°С, гр. 21 – 46,0 Ом; гр. 22 – 100,0 Ом. Также существуют градуировки: 1П, 5П, 10П, 100П, 500П. Пределы измерения -260 – 1000 0С;

2. Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы)

Чувствительный элемент полупроводниковоготерморезисторатермистора–изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. То есть, термисторы – это, по сути, термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основных типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC (с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.

Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло.

С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20 0С) от 1 до

200 кОм, В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от -100

до 120 – 6000С. Их чувствительность в 6 – 10 раз больше, чем чувствительность

металлического терморезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры. Имеются термисторы, выполненные в виде шариков диаметром от 0,006 до 2,5 мм. Теплоемкость таких термисторов на несколько порядков меньше, чем у металлических терморезисторов. Малая теплоемкость обусловливает малую инерционность термисторов.

Имеются термисторы с постоянной тепловой инерцией несколько миллисекунд.

Недостаткомтермисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность характеристик. В течение первой недели их сопротивление может измениться на 1 – 1,5%, а за несколько месяцев еще на 1%. В дальнейшем изменение сопротивления термистора происходит медленнее, не превышая 0,2% в год.

Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста. Приборы имеют индивидуальную градуировку, что обусловлено большим разбросом параметров и характеристик преобразователей. К вторичному прибору термисторы присоединяются с помощью двухпроводного кабеля. Погрешность, вызванная изменением параметров кабеля, ничтожна, поскольку сопротивление и чувствительность термистора много больше сопротивления линии связи и ее чувствительности к изменению температуры.

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью. Они широко используются, например, в биологии. С помощью термистора, смонтированного на острие иглы, можно измерить температуру внутренних органов живого организма. Широкое применение термисторы находят в различных приборах для температурной коррекции характеристик приборов.

2. Способы подключения термометров сопротивления

При измерении температуры термометрами сопротивления необходимо измерить сопротивление терморезистора, который подключается к прибору соединительными проводами. Поэтому сопротивление, подключенное к измерительному прибору, представляет собой сумму сопротивлений терморезистора и медных соединительных проводов.

Чтобы минимизировать влияние дополнительного сопротивления на результаты измерения, используют различные способы, которые зависят от схемы подключения термометра и метода измерения. Применяется двух-, трех- и четырех- проводная схема подсоединения термометров сопротивления к измерительному прибору, рис. 3. Другая особенность, которая имеет место при измерении сопротивления термометра, заключается в том, что для измерения сопротивления по терморезистору должен протекать ток.

При этом согласно закону Джоуля–Ленца выделяется теплота, которая нагревает термометр до более высокой температуры, чем температура измеряемой среды, что вызывает соответствующее изменение его сопротивления. В промышленных условиях выбирают измерительный ток таким образом, чтобы погрешность за счет самонагрева не ^{превышала 0,1 % R}0 ^{– сопротивления термометра при 0 °C.}


Рис. 3. Схемы подсоединения термометров сопротивления: а – двухпроводная схема; б – трехпроводная схема; в – четырехпроводная схема с компенсацией изменения сопротивления выводов; г – четырехпроводная схема

2. Описание лабораторной установки

Схема установки представлена на рис.4. Лабораторная установка состоит из трёх термометров сопротивления, градуировок 1 – 100П; 2 – 50М; 3, 4 – полупроводниковые термометры сопротивления. Платиновый и медный термометры сопротивления подключены ко вторичным приборам – 5, 6 Диск – 250, который отградуирован в единицах измерения температуры. Градуировочные значения сопротивлений приведены в таблице на лабораторном стенде. Значения полупроводниковых термометрах сопротивлений при различной температуре определяют по показаниям цифрового мультиметра – 7, подсоединяя его с помощью штекеров.




Рис. 4. Схема лабораторной установки 1 – термометр сопротивления платиновый, градуировки 100П; 2, 3 – полупроводниковые термометры сопротивления; 4 - термометр сопротивления медный, градуировки 50М; 5,6 – прибор типа Диск – 250; 7 – цифровой мультиметр; 8 – штекеры для подключения; 9 – ёмкость с измеряемой средой (снег; вода при температуре 20 C, 40 C, 60C, 80C)

Таблица 1

Экспериментальные данные

	0°С	20°С	40°С	60°С	90°С
ТСМ 50М	50	54,28	58,56	62,84	69,26
ТСП 50П	50	53,96	57,89	61,8	67,62
ММТ – 4, 1 кОм	1,162	0,852	0,462	0,336	0,235
ММТ – 4, 10 кОм	16,5	10,5	5,2	3,4	1,91
КМТ – 1, 33 кОм	37,3	20	13	4,9	2,43
КМТ – 1, 180 кОм	270	142	47,7	23,2	11,1

Расчет чувствительности исследуемых термометров сопротивления:

∆𝑅

^𝑆ТСМ 50М ⁼ _∆𝑇 ⁼

∆𝑅

^𝑆ТСП 50П ⁼ _∆𝑇 ⁼

69,26 − 50

=

90 − 0

67,62 − 50

=

90 − 0

19,26

= 0,214 Ом/°С

90

17,62

= 0,196 Ом/°С

90

∆𝑅

^𝑆ММТ−4, 1 кОм ⁼ _∆𝑇 ⁼

1,162 − 0,235

=

90 − 0

0,927

= 0,0103 кОм/°С = 10,3 Ом/°С

90

∆𝑅

^𝑆ММТ−4, 10 кОм ⁼ _∆𝑇 ⁼

∆𝑅

^𝑆КМТ−1, 33 кОм ⁼ _∆𝑇 ⁼

∆𝑅

16,5 − 1,91

=

90 − 0

37,3 − 2,43

=

90 − 0

270 − 11,1

14,59

= 0,1621 кОм/°С = 162,1 Ом/°С

90

34,87

= 0,3874 кОм/°С = 387,4 Ом/°С

90

258,9

^𝑆КМТ−1, 180 кОм ⁼ _∆𝑇 ⁼

=

90 − 0

= 2,8766 кОм/°С = 2876,6 Ом/°С

90

R, Ом

70

68

66

64

62

60

58

56

54

52

50

0 20 40 60 80 100 Т, °С
а)

R, Ом

70

68

66

64

62

60

58

56

54

52

50

0 20 40 60 80 100 Т, °С
б)

Рис. 5. Градуировочные зависимости термометров сопротивления: а – платинового, градуировки 50 П; б – медного, градуировки 50М

R, кОм




1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0

0 20 40 60 80 100 ^{Т, °С}
а)

R, кОм

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0 20 40 60 80 100 ^{Т, °С}
б)

R, кОм

40

35

30

25

20

15

10

5

0

0 20 40 60 80 100 ^{Т, °С}
в)

R, кОм

300
250
200
150
100
50
0

0 20 40 60 80 100 ^{Т, °С}
г)

Рис. 6. Градуировочные зависимости полупроводниковых термометров сопротивления: а – ММТ 4 (1 кОм); б – ММТ 4 (10 кОм); КМТ 1 (33кОм); КМТ 1 (180кОм)

Таблица 2

Экспериментальные данные

Время t, с	Температура, °С	Сопротивление медного термометра сопротивления, Ом	Сопротивление платинового термометра сопротивления, Ом
0	90	69,26	67,6239
5	82	67,548	66,0765
10	75	66,05	64,7195
15	62	63,268	62,1916
20	53	61,342	60,4358
25	46	59,844	59,0669
30	41	58,774	58,0874
35	38	58,132	57,4989
40	34	57,276	56,7135
45	31	56,634	56,1239
50	28	55,992	55,5337
55	26	55,564	55,14
60	24	55,136	54,746
65	22	54,708	54,3518
70	21	54,494	54,1546
75	20	54,28	53,9573
80	19	54,066	53,76
85	18	53,852	53,5626
90	17	53,638	53,3652
95	16	53,424	53,1677
100	15	53,21	52,9702
105	14	52,996	52,7726
110	13	52,782	52,5749
115	12	52,568	52,3772
120	11	52,354	52,1794
125	10	52,14	51,9816
130	9	51,926	51,7837
135	8	51,712	51,5857
140	7	51,498	51,3877
145	6	51,284	51,1896
150	5	51,07	50,9915
155	4	50,856	50,7933
160	3	50,642	50,5951

Рис. 7. График изменения сопротивления для медного (1) и платинового (2) термометров сопротивлений во времени

Вывод: В процессе работы произвели исследование различных термометров сопротивления. По экспериментальным данным произвели расчет чувствительности термометров, который подтверждает, что полупроводниковые термометры сопротивления обладают гораздо большей чувствительностью по сравнению с металлическими.

Построенные градуировочные зависимости наглядно показывают нелинейность изменения сопротивления полупроводниковых термометров и линейный характер зависимости металлических.