1.7. Измерительные цепи терморезисторов

Измерительные цепи терморезисторов служат для преобразования при­ращения сопротивления в напряжение, которое является мерой температуры. Задача преобразования в напряжение приращения сопротивления возникает и при использовании тензорезисторов, сопротивление которых меняется в за­висимости от их механической деформации. Поэтому рассмотренные ниже измерительные схемы могут быть использованы как для работы с терморези­сторами, так и с тензорезисторами.

Как правило, электронные измерительные схемы во избежание влияния на них теплового поля объекта измерений располагают на некотором удале­нии от терморезистора, и приходится использовать соединительные провода иногда значительной длины. Эти провода подвергаются воздействию внеш­них тепловых полей, и нестабильность их сопротивления вызывает дополни­тельную погрешность измерения температуры. Поэтому в некоторых элек­тронных схемах предусмотрена компенсация влияния сопротивления прово­дов.

Наиболее простыми преобразователями сопротивления в напряжение являются делители напряжения, одним из элементов которых является тер­морезистор. Так, в делителе, показанном на рис. 1.10, выходное напряжение

(1.15)

где R₁ - сопротивление нагрузки; R_т = R₀+ R - сопротивление терморези­стора; R₀ - его сопротивление при начальной температуре, например, при Т= О °С; R - приращение сопротивления при изменении температуры.

Основной недостаток делителей напряжения - наличие на выходе по­стоянного напряжения при начальной температуре. Если напря­жение Е поступает от блока питания, то оно характеризуется нестабильностью: пульсацией с частотой 100 Гц и непостоянством среднего значения. п и измерении малых приращений температуры полезный выходной сигнал делителя может оказаться соизмеримым с нестабильностью, что ограничива­ет измерение малых приращений R.

Пример 1.5. С помощью медного терморезистора с R₁ = R₀ = 100 Ом измерена температура 5 °С. При этом R =R(Т)-R₀= 100 4,2610^-3 5=2,13 Ом. Если E=10 В, то вы­ходной сигнал с делителя U_вых = Е[(R₀+ R) / (R₁ + R₀+ R) -0,5] = 10(102,13/202,13-0,5) = 0,053 В. При нестабильности напряжения питания ДЕ/Е= 10~³ непостоянство выходного напряжения делителя составит 0,5-Е-10~³ = 0,005 В, что соизмеримо с полезным сигналом. Поэтому измерения малых температур возможно только с большими погрешностями.

Широко применяются мостовые схемы, например, четырехплечии мос­ты (рис. 1.11), питаемые от генератора напряжения или тока.

При начальной температуре ( R = 0) добиваются равновесия моста. При этом R₀R₂=R₁R₃ и U_вых ⁼ 0. Изменение температуры терморезистора приво­дит к нарушению равновесия моста. Его выходное напряжение

(1.16)

является нелинейной функцией R_T, a, следовательно, и R. Если необходимо измерить разность температур в двух точках, то резистор R₃ заменяют тер­морезистором того же типа, что и R_T.

Повышение помехоустойчивости измерений достигают при питании моста переменным током и синхронным детектированием. Такая схема,

предназначенная для измерений разности температур отдельных участков человеческого тела с погрешностью 10^-5 °С, показана на рис. 1.12.

Рис. 1.12

Мост питают от генератора G низкой частоты, сигнал с него использу­ется в качестве опорного. Полоса частот ФНЧ на выходе схемы составляет единицы герц.

Если мостовая схема предназначена для работы с тензорезисторами, то возможна линеаризация этой зависимости и повышение чувствительности этой схемы. Для этого мостовую схему составляют из четырех тензорезисторов, сопротивление двух из которых (например, R_T и R₂ на рис. 1.11) растет с увеличением деформации, а сопротивление других - падает.

В настоящее время в качестве преобразователей сопротивления в на­пряжение широко используются схемы с операционными усилителями. Для уменьшения влияния соединительных проводов часто используется четырехпроводное включение терморезистора (рис. 1.13).

Здесь ток I₀ задается источником тока, причем его значение не зависит от сопротивлений проводов r₁ и r₄. По проводам для подсоединения милли­вольтметра протекает пренебрежимо малый ток, поскольку R_BX >> R_T. Поэто­му и влияние сопротивлений r₂ и r₃ на результат измерений незначителен и . Таким образом, в значительной мере устраняется влияние сопротивлений проводов на результаты измерений.

Одна из возможных схем преобразователя с использованием четырехпроводной схемы показана на рис. 1.14. Здесь измерительный мост (R₁...R₄) соединен с остальной частью схемы четырехпроводной линией соединительными проводами с сопротивлениями (r₁...r₄). Мост питают от генератора тока I₀. С помощью операционного усилителя потенциал точки а поддерживают равным нулю, поэтому напряжение с измерительной диагонали моста ab равно выходному напряжению U_вых, снимаемому с точки b относительно земли. Значение питающего схему тока, протекающего по проводам с сопротивлениями r₁ и r₃, не зависит от этих сопротивлений, благодаря чему исключается их влияние на работу схемы. Поскольку входное сопротивление усилителя и входное сопротивление схемы, измеряющей напряжение U_вых, на несколько порядков превышает значения сопротивлений г₂ и r₄, то влияние этих сопротивлений также незначительно.

Рис.1.13 Рис. 1.14

I₁= I₀ (R₃ +R₄)/(R₁+R₂+R₃+R₄)

I₂=I₀(R₁+R₂)/(R₁+R₂+R₃+R₄)

Питающий ток I₀ разделяется на две составляющие :

а выходное напряжение равно

U_вых=I₁R₁-I₂R₃=I₀(R₁R₄ – R₂R₃)/(R₁+R₂+R₃+R₄).

Нa основе схем с операционными усилителями можно построить уст-ройства, компенсирующие нелинейность градуировочных характеристик терморезисторов и тензорезисторов.