Слайд 20. Мостовая измерительная схема для термометров сопротивления

Для точных измерений температуры и метрологической аттестации ТС получили применение четырёхплечие мосты постоянного тока. Введём следующие основные понятия: a,b,c,d – вершины моста; ad, db, bc, ca – плечи моста; ab – диагональ питания; cd – измерительная диагональ; acb и adb – ветви моста; R1, R2, R3 и R4 – сопротивления плеч моста. Плечи моста, не имеющие общей точки соединения, называются противоположными (ac и db), а имеющие её – смежными (ac и ad). Измерения с помощью мостов основаны на способности мостовых схем находиться в состоянии равновесия – это состояние, при котором напряжение на измерительной диагонали равно нулю при наличии напряжения питания.

Для вывода уравнения равновесия моста воспользуемся вторым законом Кирхгофа: сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Для контура cdbc сумма напряжений, действующих в нем, равна нулю:

или

.

При равновесии моста напряжение на его измерительной диагонали равно 0, следовательно, равенство примет вид

,

т.е. ; преобразуя, получим уравнение равновесия моста в виде

.

Словесная формулировка условия равновесия моста – при равновесии моста произведения сопротивлений его противоположных плеч равны между собой. Следовательно, зная сопротивления трех плеч, при условии равновесия моста можно найти сопротивление четвертого плеча, в которое включается резистивный датчик.

Слайд 21. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

В основу измерения температуры с помощью термоэлектрических термометров положены термоэлектрические явления, открытые Зеебеком в 1821 г. При соединении одних концов двух одинаково нагретых проводников из разнородных материалов, причем в первом материале количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, второй конец первого проводника станет заряжаться положительно, а второго проводника – отрицательно. Образующееся при этом в месте соединения (спае) проводников электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными (вторыми) концами указанных проводников появится некоторая разность потенциалов. С увеличением температуры проводников значение этой разности также увеличивается. Если взять цепь, составленную из двух различных проводников А и В (например, меди и платины), то при подогреве спая 1 в цепи появится электрический ток, который в более нагретом спае 1 направлен от платины В к меди А, а в холодном спае 2 – от меди к платине. При подогреве спая 2 ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения 1 и 2, называется термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.), а создающий ее преобразователь – термоэлектрическим преобразователем, или термопарой (ТП). Спай 1, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим, или горячим спаем термопары; второй спай 2 носит название свободного, или холодного спая. Проводники, образующие термопару, называются термоэлектродами.

Суммарную электродвижущую силу Е_AB замкнутой цепи из проводников А и В, спаи которой нагреты до температур θ и θ₁, можно выразить уравнением:

,

где e_AB(θ) – э.д.с., вызванная диффузией электронов из материала А в материал В при температуре θ; e_ВА(θ₁) – э.д.с., вызванная диффузией электронов из материала В в материал А при температуре θ₁. Если температуры спаев 1 и 2 одинаковы, т.е. , то

или

Таким образом, для замкнутой цепи

.

Это уравнение называется основным уравнением термоэлектрических преобразователей. Из него следует, что возникающая в контуре термо – э.д.с. зависит от разности температур спаев 1 и 2. Если температуру спая 2 поддерживать постоянной, т.е. , то и

.

Таким образом, э.д.с. термоэлектрического преобразователя при постоянной температуре холодного спая 2 зависит только от температуры горячего спая 1. Если для данной термопары экспериментально, т.е. путем градуировки, эта зависимость найдена, то измерение температуры θ₁ сводится к определению термо-э.д.с., которая невелика (0,01 – 0,06 мВ на 1°С), но все же достаточна для измерения посредством измерительного прибора. Он включается в разрыв холодного спая термопары 2 при помощи проводников 3. При этом включение в цепь термопары соединительных проводов и измерительных приборов на работу термопары не влияет.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических термометров получили платина (Pt), платинородий (90% Pt + 10% Rh), хромель (9,5% Cr + 90,5% Ni), алюмель (94,5% Ni + 2 % Al + 1% Si +2,5% Mn) и копель (55,4 % Cu + 44% Ni + 0,5% Mn + 0,1% Fe). Для измерений в лабораторных установках находят также применение медь, железо, константан и др. Наиболее распространенными типами ТП являются: ТХА (К-тип по международному обозначению) – хромель - алюмелевые; ТХК (L-тип) –хромель - копелевые; ТПП (S –тип)– платинородий - платиновые и т.д. При наименовании ТП первым обычно указывается положительный термоэлектрод.

ТП типа ТПП применяются для измерения температур в области 300–1600 °С в окислительной и нейтральной среде. Эти ТП находятся в числе лучших термоэлектрических преобразователей по точности и воспроизводимости термо-э.д.с. ТП типа ТХК широко применяются для измерения температур различных сред в области от минус 200 ⁰С до плюс 600 ⁰С. ТП типа ТХА применяются для измерения температур газовых сред, пара и жидкостей в области от минус 200 ⁰С до плюс 800 ⁰С.

В явном виде зависимость термо-э.д.с. от температуры не мо­жет быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэто­му при измерении температур эта зависимость для различных типов ТП устанавливается экспериментально путем граду­ировки и построения графика или таблицы зависимости термо-э.д.с. от температуры. При градуировке ТП температура свободных концов θ₀ обычно поддерживается постоянной и равной 0 °С.

В общем случае характеристика ТП нелинейна. При измерениях в реальных условиях температура свободных концов (холодного спая) ТП θ₁ не равна 0 ⁰С, что приводит к необходимости введения поправки. Если θ₁ > 0 ⁰С, термо-э.д.с. ТП, приведённая к 0 ⁰С, равна

,

где - поправка на температуру холодного спая термопары; - результат измерения термо-э.д.с. в реальных условиях. При температуре же холодного спая ТП, меньшей 0 ⁰С, т.е. при θ₁^' < 0 ⁰С, приведенная термо-э.д.с. равна

.

Таким образом, перед определением температуры по градуировочной таблице к результату измерения прибавляется поправка или вычитается из результата (при температуре холодного спая соответственно больше или меньше 0 ⁰С). В настоящее время поправки на температуру свободных концов ТП вводятся автоматически при помощи специальных термокомпенсирующих устройств. Эти устройства располагаются отдельно или встраиваются во вторичный прибор.

ТП и вторичный прибор (ВП) соединяются между собой при помощи проводов, которые называются удлинительными, или компенсационными. Эти провода со­стоят из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые или схожие термоэлектрические свойства с термоэлектродами ТП. Посредством удлиняющих проводов производится как бы удлинение термоэлектродов ТП, позволяющее отнести свободные концы от объекта измерения в место установки ВП. Для ТП из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и термоэлектроды ТП. Для ТП из благородных металлов в целях удешевления удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой примерно ту же термо-э.д.с. в диапазоне изменения температуры в месте установки ВП, что и ТП.

Конструктивно ТП представляет собой две проволоки из разнородных материалов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем спаиваются или свариваются. Конструкция ее аналогична конструкции терморезистора. В металлическом корпусе расположены термоэлектроды с изоляционными трубками, изготовленными из фарфора или окислов алюминия, магния, бериллия. Рабочий спай термопары обычно приваривается ко дну корпуса. К термоэлектродам в соединительной головке через разъем подсоединяются удлинительные провода. Термопара вводится в объект измерения и кре­пится на нем с помощью штуцера. Выпускаются ТП с одним чувствительным элементом (одинарные) и с двумя (двойные). Двойные ТП применяются для измерения температуры объекта двумя вторичными приборами, установленными в разных местах. Длина погружаемой части ТП в измеряемую среду выполняется различной для каждого конкретного типа ТП.