10

Лабораторна робота № 3t – tf2

ВИМІРЮВАЛЬННИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ “ SITRANS TF2 ” З

ЦИФРОВОЮ ІНДИКАЦІЄЮ ТА ТЕРМОМЕТРОМ ОПОРУ “ Pt 100 ”

1. Мета роботи

1.1. Вивчити принцип роботи та будову компактного вимірювального перетворювача SITRANS TF2 з термометром опору Pt 100 та з цифровою індикацією і уніфікованим вихідним сигналом фірми “Siemens”.

1.2. Засвоїти методику повірки вказаних приладів, визначити їх основні метрологічні характеристики.

2. Завдання на виконання роботи

2. 1. Познайомитись з лабораторним стендом.

2.2. Вивчити загальну теорію термоперетворювачів опору, їх види.

2.3. Вивчити конструкцію та структурну схему вимірювального перетворювача TF2 фірми “Siemens” з термометром опору Pt 100 .

2.4. Зняти реальні статичні характеристики перетворення SITRANS TF2 по його цифровому виходу та по двопровідній схемі передачі вимірювальної інформації з уніфікованим вихідним сигналом по стуму.

2.5. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну, відносну та приведену похибки.

2.6. Побудувати графіки:

а) реальної статичної характеристики перетворювачів;

б) залежності відносних та приведених похибок по отриманому діапазону вимірювання (точки наносити через кожних 5°C).

3. Загальні теоретичні відомості про термометри опору

Вимірювання температури термометрами опору відноситься до контактних методів і грунтується на властивості провідників (металів) та напівпровідників змінювати свій електричний опір в залежності від зміни їхньої температури . Така властивість металів характеризується температурним коефіцієнтом опору (ТКО), який визначається як відношення приросту опору провідника, що виготовлений із цього металу, до приросту температури, що привела до його нагрівання і змінила його електричний опір, та опору провідника . В загальному вигляді ТКО при малих приростах температури визначається залежністю: = .

Для провідників (металів) - ТКО додатний і їхній опір зростає з зростанням температури, а перетворювачі, які виготовлені із металевого дроту називають (в загальному) терморезисторами. У напівпровідників навпаки – ТКО від’ємний і їхній опір електричному струму падає із ростом температури, а перетворювачі, що виготовлені із напівпровідникових матеріалів, називають термісторами.

В більшості провідникових і напівпровідникових тіл залежність активного опору R від температури можна узагальнити формулою:

R = C  e^kT, (1)

де С та k – коефіцієнти, значення яких залежить від матеріалу, з якого виготовлений терморезистор; крім цього, С залежить від геометричних розмірів терморезистора, а коефіцієнт k для напівпровідників - залежить і від температури; е – основа натуральних логарифмів; Т – абсолютна температура, К.

На практиці, як правило, температуру вимірюють за шкалою Цельсія і, використовуючи співвідношення: T(К)= t(°C) + 273.15, приведена залежність (1) активного опору від температури t(°C) приймає вигляд:

R = C  e^{k(273.15 + t)} = C  e^273.15k e^kt. (2)

Значення виразу: C  e^273.15k = R₀ – приймається за початковий опір тіла при температурі 0С і відповідно: R = R₀ e^kt. (3)

Так як для провідникових термометрів коефіцієнт k не залежить від температури, то формулу (3) можна переписати в іншому вигляді, розклавши її в ряд Макларена в залежності від температури:

R = R₀ e^kt = f(0) + f (0) + f (0) + f (0) +…=

= R₀(1+ t + t + t +…) = R₀(1+ t + t + t +…), (4)

де f(0) та f (0), f (0), f (0),…. – значення функції (3) в нулі та її частинні похідні.

В первинному вимірювальному перетворювачі температури може використовуватись будь-який терморезистор або термістор, але в якості засобів вимірювання температури, тобто, засобів з нормованими метрологічними характеристиками (НМХ), використовують термометри опору (ТО). ТО це терморезистори з НМХ, які виготовлені із чистих металів (міді, платини, нікелю, вольфраму або заліза) і які відповідають наступним вимогам:

- мають достатньо великий і незмінний в часі ТКО, який прийнято визначати для ТО в інтервалі температур від 0 до 100 С по залежності:

= , [ для більшості чистих металів 4*10 ( )]

де та - опір ТО при 0 та при 100 С, Ом;

- мають монотонну без гістерезису характеристику перетворення = ;

- мають високий питомий електричний опір, а метал ТО не вступає до взаємодії з вимірюваним середовищем.

Найбільше розпоширені провідникові ТО, які виготовляють із мідного дроту (використовуються для вимірювання температури від –50 до 180С) або із платинового – для температур від -260 до 650С.

ТО мають при виготовленні нормоване (стандартизоване) значення R₀ при 0С і зображуються як ТСМ для мідного дроту та ТСП – для платинового. ТО являє собою дріт певної довжини і діаметром 0,07мм, який намотаний на стержень із ізоляційного матеріалу (наприклад, слюди) і який є чутливим елементом. Чутливий елемент ТО розміщують (рис. 1) в корпус (кожух) із нержавіючої сталі, який має різьбове зєднання для його кріплення до металевих стінок технологічного обладнання та головку, в якій розміщують клеми підєднання зовнішніх проводів. Для вимірювання температури в системах вентиляції і в приміщеннях, виготовляють спеціальні ТО, кожух яких перфорується, для швидкого доступу повітря до чутливого елемента.

Рис. 1. Загальний вигляд ТО

Залежність опору ТО від температури називається градуювальною характеристикою. Для мідних ТО ця залежність має вигляд із двох членів формули (4):

R_м = R_0м (1+t), (5)

де  = 4,2610^-3 1/С.

ТО із міді виготовляються із нормованим значенням опору R_ом при 0С на 10, 50, та 100 Ом і їм присвоєні умовні позначення: 10М, 50М, 100М.

Для платинових ТО залежність опору від температури визначається трьома членами формули (4) для температур 0С:

R_n = R_0n (1+t+t²), (6)

де  = +3.96810^-3 1/С;  = -5.84710^-7 1/С .

При вимірюванні температур < 0С – градуювальна характеристика ТСП описується виразом із 4-х членів формули (4).

Платинові ТО теж мають нормовані значення R_0n при температурі 0С і, по аналогії з мідними, в залежності від R_0n мають позначення: 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П.

Всі типи ТО виготовляються як взаємозамінні і для цього їхні типи, основні параметри та розміри регламентуються відповідним стандартом.

Основними параметрами для забезпечення взаємозамінності ТО є допуски на відхилення їхнього опору при температурі 0 С (R₀) від номінального значення, що відповідає приведеним вище значенням для кожного ряду, та на коефіцієнт W₁₀₀, який визначається відношенням: R₁₀₀/R₀, тобто, відношенням опору ТО при температурі 100С до його опору при 0С і який залежить від чистоти дроту, із якого виготовлений ТО. Наприклад, для ТСМ 50 коефіцієнт W₁₀₀ = 1.426; а для ТСП 50 – W₁₀₀ = 1.391.

Платинові ТО випускаються першого класу (використовуються як зразкові і еталонні, наприклад, допустиме відхилення опору R_0n такого ТО від номінального значення не повинно перевищувати 0,05%, а відношення опорів R₁₀₀/R₀ повинно дорівнювати 1,391 0,0007) та другого класу (використовуються як технічні), а мідні випускаються тільки 2-го та 3-го класів і використовуються як технічні термометри з абсолютними похибками від  0.3... 0.5С до 1...2 С.

В якості вимірювальних приладів, які використовуються у комплекті з ТО, використовуються зрівноважені і незрівноважені мости, логометри та

сучасні вимірювальні перетворювачі з уніфікованим вихідним сигналом.

Луцьке НВО "Електротермометрія" випускає мідні термометри серії ТСМ, платинові - серії ТСП різних модифікацій на різні межі вимірювань та різних конструктивних особливостей. Останнім часом виготовляються мідні термометри типів ТСМУ – модифікацій 0288 та 0388 з нормувальним перетворювачем, ус­тановленим у голівці термометра, а також платинові типу ТСПУ – 0288 та 0388 з тими самими особливостями і з вихідним уніфікованим сигналом по струму 4...20 мА.