ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ СОПРОТИВЛЕНИЯ В КОМПЛЕКТЕ СО ВТОРИЧНЫМ ПРИБОРОМ

Цель работы: ознакомиться с принципом действия и устройством термопреобразователей сопротивления; произвести измерение температуры с помощью термопреобразователя сопротивления в комплекте с цифровым измерителем-регулятором; определить погрешность измерения комплекта и его пригодность.

Принцип действия термопреобразователя сопротивления основан на свойстве металлов и полупроводников изменять своё электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Величину, характеризующую изменение электросопротивления материалов в зависимости от температуры, называют температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и обозначают α. Если R_t – электрическое сопротивление при некоторой температуре t, а R₀ – электрическое сопротивление при 0˚С, то температурный коэффициент сопротивления можно определить по формуле:

, град^-1

Металлы имеют положительный ТКС (для большинства чистых металлов a=0,004 – 0,006 град^-1) [1].

Металл иметь свойства, незначительно отличающиеся от партии к партии, не должен окисляться и менять своих физических характеристик. Желательно, чтобы ТКС был значительным, а зависимость сопротивления от температуры близка к линейной. К материалам, отвечающим этим условиям, относятся следующие металлы: платина, медь, никель и железо. Наибольшее практическое применение нашли платина и медь [1].

Платиновую проволоку применяют в образцовых и технических термопреобразователях сопротивления. Диапазон температур, при которых работают платиновые термопреобразователи сопротивления, составляет –260 ¸ +1100⁰С. К недостаткам платины относится отклонение температурной зависимости сопротивления от линейного закона.

Медь применяется в термопреобразователях сопротивления, измеряющих температуру от –200⁰С до +200⁰С и имеют высокий ТКС (0,0043 – 0,0027 град^-1). Производство меди высокой чистоты не представляет затруднения. Сопротивление меди линейно зависит от температуры. Материал легко окисляется при нагревании, что обусловливает невысокий верхний предел измерения [1].

В зависимости от назначения термопреобразователи сопротивления (ТС) бывают эталонные (платиновые), образцовые (платиновые) и рабочие. К рабочим ТС относятся лабораторные (преимущественно платиновые) и технические (платиновые и медные).

При эксплуатации технических ТС важна их взаимозаменяемость, основным условием которой является равенство сопротивлений всех термопреобразователей при определённой температуре в пределе установленных допусков. Взаимозаменяемость достигается стандартной градуировкой, при которой все термометры одной градуировки имеют одинаковые сопротивления при 0˚С и равные значения ТКС.

Промышленные термопреобразователи сопротивления в РФ выпускаются в соответствии с ГОСТ 6651-94 трёх типов: платиновые, медные и никелевые термометры сопротивления. Номинальное значение сопротивления при 0˚С, условное обозначение номинальной статической характеристики и диапазон измеряемых температур приведены в таблице 1 [2].

Чувствительный элемент ТС из чистых металлов изготавливается путём специальной безиндуктивной намотки тонкой проволоки на каркас из изоляционного материала. Для предохранения от повреждений проволоку вместе с каркасом помещают в защитную оболочку (гильзу). От чувствительного элемента идут выводы к зажимам головки термопреобразователя, к которым подводятся провода, присоединяющиеся затем к измерительному прибору [1].

Таблица 1

Кроме металлов, для изготовления ТС применяются также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана и их смеси, такие ТС называются терморезисторами. Большинство полупроводниковых материалов обладают высоким отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и также очень большим удельным сопротивлением. Поэтому можно изготавливать малые по размерам чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления, обладающих значительным коэффициентом преобразования, что позволяет измерять температуры в малом объёме, с малой инерционностью и не учитывать сопротивление соединительных линий [1].

Зависимость сопротивления полупроводникового термопреобразователя (терморезистора) от температуры может быть описана формулой:

,

где R₀ – сопротивление терморезистора при температуре Т₀, как правило, Т₀=293К (20˚С); R_t – сопротивление при температуре Т; B – коэффициент, зависящий от материала проводника.

В связи с тем, что технология получения терморезисторов не позволяет изготавливать их с идентичными характеристиками, все полупроводниковые термопреобразователи сопротивления имеют индивидуальные характеристики, следовательно не являются взаимозаменяемыми, но благодаря высокой чувствительности применяются в системах сигнализации.

При измерении температуры термопреобразователем сопротивления необходимо точно определить значение сопротивления, для чего используют мостовые схемы.

Уравновешенные мосты являются наиболее распространёнными приборами для измерения сопротивлений. Поэтому они широко применяются и для работы в комплекте с термопреобразователями сопротивления (рис.1) [3].

Рис.1. Схема уравновешенного моста

Сопротивления R₁, R₃ постоянные.

R₂–сопротивление реохорда (переменное);

R_t – термопреобразователь сопротивления;

НП – нуль-прибор.

В измерительной схеме ток от источника U_пит. Протекает по двум ветвям: асb и adb. Меняя значение R₂ можно добиться такого состояния, при котором разность потенциалов в точках с и d, а следовательно и ток в диагонали моста с и d, равны нулю. Это состояние называется равновесием моста.

Мост считается уравновешенным, когда произведение сопротивлений противоположных плеч моста равны, т.е. R₁R_t=R₂R₃. При этом, каждому значению R_t будет соответствовать определённое значение R₂.

Необходимо учитывать, что термопреобразователь сопротивления R_t часто находится на значительном расстоянии от измерительной схемы моста и влияние сопротивлений внешних соединительных проводов R_вн может быть существенным за счёт изменения температуры окружающей среды. Уравнение баланса при этом имеет вид: R₂R₃=(R_t+2R_вн)R₁. Этот недостаток устраняется применением трёхпроводной схемы соединения моста с термометром сопротивления (рис.2) [3].

Рис.2. Трёхпроводная схема уравновешенного моста

Такое изменение схемы приводит к тому, что сопротивление внешних проводов R_вн оказываются в разных плечах моста и, следовательно, в разных частях уравнения, поэтому их влияние на баланс компенсируется:

R₃(R₂+R_вн)=R₁(R_t+R_вн)

При условии, что R₁=R₃ зависимость между R_t и R₂ становится однозначной: R₂=R_t.

Неуравновешенные мосты (рис.3) обладают тем преимуществом, что не требуют уравновешивания тока в их измерительной диагонали. Величина этого тока и является мерой измеряемого мостом сопротивления.

Возможность непосредственного отсчета температуры – ещё одно преимущество неуравновешенного моста перед лабораторным уравновешенным мостом [3].

Рис.3. Схема неуравновешенного моста

На принципиальной схеме неуравновешенного моста (рис. 3) в которой R₁, R₂ и R₃ - постоянные сопротивления плеч моста; R - реостат; R_K - контрольное сопротивление; R_t - сопротивление термо­метра; I_м - сила тока, протекающего по рамке милливольтметра [1].

Необходимо учитывать, что такие схемы очень чувствительны к нестабильности напряжения питания (U_ab) поэтому перед измерением его необходимо проконтролировать.

Для этого в схему моста параллельно термометру включается манганиновое контрольное сопротивление R_к, равное сопротивлению термометра при определенной температуре, отмеченной красной чертой на шкале милливольтметра [3].

Для контроля разности потенциалов U_ab переключатель ставят в положение 2 и с помощью реостата R устанавливают стрелку милли-вольтметра точно на красной черте. После этого переключатель ставят в положение 1и по шкале снимают отсчет, соответствующий температуре термометра.

Применение стабилизированных источников питания исключает необходимость контроля.

Эти мосты используются иногда в лабораторной практике, а также в измерительных схемах других приборов.