Термопреобразователи сопротивления. Контроль температуры. Термопреобразователи сопротивления. Контроль температуры Принцип работы термопреобразователя сопротивления

• Название: Термопреобразователи сопротивления. Контроль температуры Принцип работы термопреобразователя сопротивления
• Анкор: Термопреобразователи сопротивления. Контроль температуры.doc
• Дата: 02.11.2017
• Размер: 3.16 Mb.
• Имя файла: Термопреобразователи сопротивления. Контроль температуры.doc
• Тип: Документы; #10008
• Категория: Экология

Работы 4,5

Термопреобразователи сопротивления. Контроль температуры
1. Принцип работы термопреобразователя сопротивления
Принцип действия термопреобразователя сопротивления основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры.

Металлические термометры сопротивления платиновые (ТСП) градуировки гр. 20 используются при длительных измерениях в пределах от 0 до 650 °С, а термометры градуировок гр. 21 и гр. 22 - с другими номинальными сопротивлениями при температуре — от —200 до +500 °С. Термометры сопротивления медные (ТСМ) изготав­ливаются градуировок гр. 23 и гр. 24 для измерения температур от —50 до + 180°С [1].

Величину , характеризующую изменение электросопротивления металлов при изменении температуры, называют температурным коэф­фициентом сопротивления. Если R_t электрическое сопротивление при некоторой температуре t, a R_о электрическое сопротивление при 0°С, то температурный коэффициент сопротивления можно определить по формуле



Для изготовления термометров сопротивления используются металлы: Pt, Cu, Ni, Fe.

Медь (Cu). К достоинствам меди следует отнести дешевизну, лег­кость получения ее в чистом виде, сравнительно высокий темпе­ратурный коэффициент  и линейную зависимость сопротивления от темпе­ратуры.

Недостатки: малое удельное сопротивление (р = 0,017 ом·мм²/м) и легкая окисляемость при температуре выше 100° С.

Никель и железо (Ni и Fe). Эти металлы обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом  и относи­тельно большим удельным сопротивлением.

Однако этим металлам присущи и недостатки. Никель и железо трудно получить в чистом виде, что препятствует изготовлению взаимозаменяемых термометров сопротивления. Зависимости сопротивления железа и, особенно, никеля от температуры выра­жаются кривыми, которые не могут быть представлены в виде простых эмпирических формул. Никель и, особенно, железо легко окисляются даже при сравнительно низких температурах. Эти недостатки ограничивают применение никеля и железа для изго­товления термометров сопротивления.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) изготавли­ваются из окислов различных металлов с добавками. Наибольшее распростра­нение имеют термометры сопротивления кобальто-марганцевые (КМТ) и медно-марганцевые (ММТ), использумые для измерения температур в пределах от —90 до +180 °С. Используемые материалы: оксиды Ti, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ge.
2. Устройство платиновых и медных термопреобразователей сопротивления. Диапазон измеряемых температур для каждого типа термопреобразователя сопротивления

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) выпускаются серийно для температур от –200 до +650⁰С соответственно градуировки согласно ГОСТ 6651-94:

 50П - электрическое сопротивление от 40 до 90 Ом.

 100П (Pt 100)- электрическое сопротивление от 80 до 180 Ом.

Медные термометры сопротивления (ТСМ) выпускаются серийно для контроля температур от –50⁰С до +180⁰С, соответственно градуировки:

 50М - электрическое сопротивление от 40 до 150 Ом.

 100М - электрическое сопротивление от 80 до 300 Ом.
В
Рис. 1. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления:

1-слюдяная пластина с зубчатыми краями;

2-платиновая проволока; 3-серебряные выводы;

4-слюдяные накладки; 5-серебряная лента

стандартном платиновом термометре сопротивления (рис.1) платиновая проволока диамет­ром 0,07 мм и длиной около 2 м бифилярно намотана на слюдяную пластинку с зубчатыми краями и с обеих сторон прикрыта двумя слю­дяными прямоугольными накладками для обес­печения ее изоляции и придания механической прочности. Все три слюдяные пластинки скреп­лены в пакет серебряной лентой. К концам пла­тиновой проволоки припаяны выводы из серебря­ных проволочек диаметром 1 мм, изолированных фарфоровыми бусами. Элемент сопротивления помещен в алюминиевую защитную трубку, сво­бодное сечение которой заполнено по всей длине чувствительной части термометра алюминиевым вкладышем. Собранный элемент термометра со­противления помещается еще в одну наружную защитную

трубку с заваренным дном, имеющую штуцерную гайку и алюминиевую головку [1].

Стандартный медный термометр сопротивления (рис.2) отечественного производства выполнен из медной эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм, многослойно намотанной на цилиндрический пластмассовый стержень. Проволока покрыта сверху слоем лака. К концам медной проволоки припаяны выводы также из медной проволоки диаметром 1,0—1,5 мм. Собранный термометр сопротивления помещен в защитную стальную трубку.

Чувствительный элемент всех медных термометров сопротивления представляет собой бескаркасную безындукционную намотку из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. К намотке припаяны два вывода. С целью обеспечения виброустойчивости чувствительный элемент помещается в тонкостенную металлическую гильзу, засыпается керамическим порошком и герметизируется.



3. Отличие терморезисторов от металлических термопреобразователей сопротивления
Полупроводниковые термометры сопротивления изготавливаются из окислов различных металлов с добавками. Наибольшее распростра­нение имеют термометры сопротивления кобальто-марганцевые (КМТ) и медно-марганцевые (ММТ), используемые для измерения температур в пределах от - 90 до +180°С. В отличие от металлических сопротивление этих термометров при увеличении температуры уменьшается по экспоненциальному закону, благодаря чему они имеют высокую чувствительность. Однако изготавливать полупроводниковые термометры со строго одинаковыми характеристиками не удается, поэтому они градуируются индивидуально. Чаще всего их используют в качестве датчиков различных автоматических устройств [1,2].

4. Градуировка термопреобразователя сопротивления. Градуировки технических платиновых и медных термопреобразователей сопротивления
Градуировкой называется операция, в ходе которой делениям шкалы прибора придаются значения, выраженные в установленных единицах измерения. При градуировке термопреобразователей сопротивления используют потенциометрический метод измерения величины сопротивления термометра сопротивле­ния. Переключатель П₂ включают, П₃ отключают. Тогда в цепь источника регулируемого напряжения 2 последовательно будут включены термометр сопротивления R_t (7), образцовые сопротивления R_N = 100 Ом и контрольный миллиамперметр 3. Посред­ством переключателя И к переносному потенциометру ПП (1) могут поочередно присоединяться термометр сопротивления R_tили образцовое сопротивление R_N. Ток в цепи, контролируемый милли­амперметром 3, поддерживается постоянным, не превышающим 5 мА.

Установив в водяной бане 10 необходимую температуру, потенциометром 1 измеряют разности потенциалов при неизменном токе в цепи:

- на образцовом сопротивлении: U_N = IR_N;

- на термометре сопротивления: U_t = IR_t.

Величину сопротивления рассчитывают по уравнению: R_t = (U_t/U_N)·R_N

Градуировка термометра сопротивления выполняется при температурах 0; 20; 40; 60; 80 и 100°С. Для градуировки при 0°С термометр сопротивления помещают в термостат с тающим льдом. Градуировка его при других температурах производится с по­мощью водяной бани 10, в которой температура устанавливается стрелкой задатчика манометрического термометра 6. Момент сня­тия показаний определяется визуально по образцовому ртутному термометру 11 через 5 мин после прекращения изменений его пока­заний.

Полученные данные заносят в таблицу и наносят на график, по оси абсцисс которого откладывают действительные значения тем­пературы в водяной бане 10, определяемые по показаниям образ­цового ртутного термометра в °С, а по оси ординат - величины сопротивлений термометра сопротивления R_t.
5. Измерительные приборы, применяемые в комплекте с термопреобразователями сопротивления
В качестве измерительных приборов термометров сопротивления применяются логометры и уравновешенные мосты. Для полупроводниковых термосопротивлений измерительными приборами обычно служат неуравновешенные мосты [1].
Логометры — это магнитоэлектрические приборы, подвижная система которых состоит из двух жесткоскрепленных между собой рамок, расположенных под некоторым углом друг другу (в предельном случае в одной плоскости).

Угол поворота такой подвижной системы есть функция отно­шения токов в обеих рамках:

 = f(I₁/ I₂),

где I_1, I₂ - токи, протекающие по рамкам.

В определенных пределах колебания напряжения источника питания не влияют на показания прибора [1].

Таким образом, в логометре совмещены достоинства уравнове­шенных (независимость от колебаний напряжения источника питания) и неуравновешенных мостов (непосредственное измерение).

Рассмотрим схему логометра (рис.4). Постоянный магнит снабжен полюсными наконечниками N и S с эллиптическими выточками. Центры выточек полюсных наконечников смещены относительно центра сердечника. Между полюсными наконеч­никами расположен цилиндрический сердечник из мягкой стали, вокруг которого вращается подвижная система из двух рамок - R₁и R₂. К рамкам прикреплена стрелка, перемещающаяся вдоль шкалы, проградуированной в градусах. Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником неравномерен. Поэтому магнитная индукция меняется (наибольшее значение в середине полюсных наконечников, наименьшее - у края), являясь функ­цией угла поворота от среднего положения.

К рамкам подводится ток от общего источника питания (сухой батареи). В рамку R₁ток поступает через постоянное сопротивление R, в рамку R₂— через сопротивление термометра R_t. Напра­вление токов I₁ и I₂ таково, что вращающие моменты рамок оказываются направленными навстречу один другому и соответственно равны:

M₁= c₁B₁I₁; M₂ = с₂B₂I₂,

где с₁и с₂ - постоянные, зависящие от геометрических разме­ров и числа витков рамок; B₁ и В₂ — магнитные индукции в зоне расположения рамок [1].

Если сопротивление рамок одина­ково и R = R_t, то I₁ = I₂, т. е. вра­щающие моменты рамок равны. При этом подвижная система нахо­дится в среднем положении.
Принцип действия логометра. При изменении сопротивления термометра вследствие нагрева (или охлаждения), через одну из рамок потечет ток большей вели­чины, равенство моментов нарушится, и подвижная система начнет поворачиваться в сторону действия большего момента. При вра­щении подвижной системы рамка, по которой течет ток большей величины, попадает в зазор с меньшей магнитной индукцией, вследствие чего действующий на нее момент уменьшается. Наобо­рот, другая рамка входит в зазор с большой магнитной индукцией, и ее момент увеличивается. Вращение рамок продолжается до тех пор, пока их вращающие моменты станут снова равными.

Для рамок одинаковой конструкции из соотношения М₁=М₂ получим:

.

При изменении R_t изменяется отношение I₁/I₂. Рамки вращаются до тех пор, пока при новом положении рамок отношение В₂/В₁ не сравняется с соотношением I₁/I₂.

Уравновешенные мосты (рис. 5). Мост состоит из двух постоянных сопротивлений R₁ и R₃, сопротивления R₂ (реохорда) и сопротивления термометра R_t. Сопротивле­ния двух соединительных проводов 2R_np при­бавляются к сопротивлению R_t. В одну диаго­наль моста включен источник постоянного тока (сухая батарея), а в другую — нуль-прибор [1].

При равновесии моста, ко­торое достигается перемещением движка по реохорду, ток в диа­гонали моста I_о = 0. В этом случае потенциалы на вершинах моста b и d равны, ток от источ­ника пита­ния I разветвляется в вершине моста на две ветви R₁ и R₃, паде­ние напряжения на сопротивле­ниях R₁ и R₃ одинаково:

R₁I₁ = R₃I_3. (1)

Падения напряжения на плечах моста be и cd также равны:

I₂R₂ = I_t(R_t + 2R_np). (2)

Разделив равенство (1) на равенство (2), получим

. (3)

При I_о = 0, I_i = I₂ и I_з = I_t уравнение (3) примет вид

R₁ (R_t + 2R_пр) = R₂R_3.

Сопротивление термометра будет составлять:



Если считать, что температура окружающей среды не изме­няется, то 2R_пp будет постоянным. Тогда уравнение (4) примет вид



При изменении сопротивления R_tмост можно уравновесить изменением величины сопротивления реохорда R₂.

Это была так называемая двухпроводная схема включения ТС в измерительный мост.

Преимущества трехпроводной схемы одсоединения термопреобразователя сопротивления

В тех случаях, когда коле­бания температуры среды, в кото­рой находятся соединительные провода, значительны и погреш­ность при измерении может пре­высить допустимую величину, применяют трехпроводную сис­тему подключения термометра (рис.6). При таком присоединении сопротивление одного провода R_npприба­вляется к сопротивлению R_t,сопротивлениевторого провода - к переменному сопротивлению R₂[1].

Уравнение равновесия моста принимает вид
R_t + R_пр = (R₂ + R_пр)* (R₃/R₁).

В случае симметричного моста (R₁ = R₃,) получим:

R_t +R_пр = R₂ + R_пр, т.е. R_t=R₂.
Таким образом нет необходимости при изменении температуры в помещении учитывать изменение Rпр.

Автоматические уравновешенные мосты.В автоматических электронных уравновешен­ный мостах движок реохорда перемещается не вручную, а автоматически. Измерительная схема таких мостов питается как постоянным, так и переменным током. В автоматических мостах переменного тока решающее значение имеют активные сопротивления, поэтому выведенные выше соотношения для мостов постоянного тока сохраняются и для автоматических мостов переменного тока. Последние имеют ряд преимуществ перед мостами постоянного тока: измерительная схема питается от одной из обмоток силового трансформатора электронного усилителя, т. е. не требуется дополнительного источника питания (сухого элемента) и отпадает необходимость в применении вибрационного преобразователя. [1].

Существуют различные модификации автоматических уравновешенных мостов, однако принцип их работы одинаков. В качестве примера здесь рассматривается принципиальная схема электронного автоматического уравновешенного моста на переменном токе (рис. 7). Постоянные сопротивления R₁,R₂, R₃и R₄измерительной схемы выполнены из манганина, а рео­хорд R_p — из манганина или специального сплава. Измеритель­ная схема питается переменным током напряжения 6,3 В.




Рис. 7. Принципиальная схема авто­матического уравновешенного моста, работающего на переменном токе


Напряжение разбаланса на вершинах моста а и Ь подается на вход электронного усилителя. В нем оно усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного электродвигателя РД. Этот двигатель, вращаясь в ту или другую сторону (в зависимости от знака разбаланса), через систему пере­дач перемещает движок реохорда, уравновешивая измерительную схему моста, а также перемещает показывающую стрелку. Если мост находится в равновесии, то реверсивный двигатель не вра­щается, так как напряжение на вход электронного усилителя не подается.

Серийно изготовляемые электронные автоматические уравно­вешенные мосты могут быть использованы для измерения темпе­ратуры полупроводниковыми термосопротивлениями. В связи с большой разницей в характеристиках металлических термоме­тров сопротивления и полупроводниковых термосопротивлений измерительную схему моста следует рассчитать.

Неуравновешенные мосты. Возможность непосредственного отсчета температуры - преимущество неуравновешенного моста перед лабораторным уравновешенным мос­том. На принципиальной схеме неурав­новешенного моста (рис. 8) в которой R₁, R₂и R₃ - постоянные сопротивления плеч моста; R - реостат; R_K - контроль­ное сопротивление; R_t - сопротивление термо­метра; I_м - сила тока, протекаю­щего по рамке милливольтметра [1].

Для контроля разности потен­циалов в схему моста параллельно термометру включается манганиновое контрольное сопротивление R_к, равное сопротивлению термометра при опре­деленной температуре, отмеченной красной чертой на шкале милливольт­метра [1].

Для контроля разности потенциалов U_abпереключатель ста­вят в положение 2 и с помощью реостата Rустанавливают стрелку мил­ливольтметра точно на красной черте. После этого переклю­чатель ставят в положение 1и по шкале снимают отсчет, соответ­ствующий температуре термометра.

Неуравновешенные мосты питаются от батареи или от сети (через трансформатор и выпрямитель). Показания неуравновешенных мостов зависят от напряжения U_ab,, поэтому они не используются для промышленных измерений. Эти мосты используются иногда в лабораторной практике, а также в измерительных схемах других приборов

В технике обычно применяют приборы, с помощью которых измерения производят лишь с определенной заранее заданной и установленной ГОСТом допустимой основной (при нормальных условиях) при­веденной относительной погрешностью. По ее величине измерительные при­боры делят на классы точности 0,05 — 4,0. Промышленные логометры и автоматические уравновешенные мосты в большин­стве случаев выпускаются с классами точности 0,5; 1,0; 1,5. Например, прибор класса 1,5 имеет максимально допустимую основную приведенную относительную погрешность ±1,5%. Класс точности прибора обычно указывают на его шкале.