1.1.2. Подключение термопар к приборам Термодат

а) б)

Рис.1.2. Подключение одинарной (а) и дифференциальной (б) термопары к приборам Термодат

Для работы с термопарами необходимо в настройках прибора назначить параметру «Тип датчика» соответствующее значение из таблицы 1. Схема подключения термопар к универсальным входам прибора Термодат приведена на рис.1.2.

При использовании термопар задействуются только два входных контакта выбранного канала, помеченные на входных колодках прибора знаками «+» и «-». При этом важно соблюсти полярность подключения проводов. В противном случае прибор не будет правильно работать, т.к. при увеличении температуры спая показания прибора будут уменьшаться.

На рис.1.2(а) показана схема подключения одинарной термопары. В место, температуру которого мы хотим измерить, помещается рабочий спай двух разнородных металлических проводников, например, хромеля и алюмеля. Каждый из проводов термопары соединяется на входной колодке прибора с медными контактами («холодные спаи»). В местах контактов проводов также возникают термоэдс, которые добавляются к измеряемому сигналу. Эту добавку необходимо учесть. Для этого в приборах Термодат вблизи входных колодок помещается специальный температурный датчик. Температура «холодных спаев», измеренная этим датчиком учитывается в измерениях программно, однако для этого должна быть включена так называемая компенсация холодных спаев, т.е. параметр прибора, отвечающий за компенсацию должен находиться в состоянии On.

Способ подключения дифференциальной термопары показан на рис. 1.2(б). Такая термопара измеряет разность температур между «холодным» и «горячим» спаем. При этом температура «холодного» спая должна быть известна и ее следует занести в память прибора Термодат (как это сделать смотрите в описании конкретной модели прибора). Дело в том, что зависимость термоэдс от температуры «горячего спая» нелинейна и внутренняя программа прибора должна знать, какой участок калибровочного графика использовать.

Для правильной работы дифференциальной термопары следует отменить так называемую компенсацию холодных спаев, т.е. установить параметр, отвечающий за это в состояние Off.

1.2. Термометры сопротивления

1.2.1. Принцип действия и область применения

Измерение температуры термометрами сопротивления (ТС) ос­новано на зависимости электрического сопротивления R металлов или полупроводников от температуры. Для большинства металлов нагрев их на один градус приводит к росту сопротивления на 0,4 - 0,6%. Со­противление большинства полупроводниковых материалов с ростом температуры уменьшается.

Для определения температуры по измерен­ному значению электрического сопротивления пользуются эмпириче­скими формулами или таблицами. Полупроводниковые ТС применя­ются обычно при низких температурах (до 100 К). При более высоких температурах их использование ограничено из-за нестабильности и большого разброса индивидуальных характеристик. В этом случае предпочтение отдается термометрам сопротивления на основе чистых металлов – медь, платина или никель ТС.

По сравнению с термопарами термометры сопротивления выгод­но отличаются тем, что при прочих равных условиях характерный электрический сигнал получается на порядок большим по величине. По этой причине многократно увеличивается и отношение сигнал/шум.

Недостатками термометров сопротивления являются относи­тельно большие габариты, с которыми связаны большая постоянная времени и опасность внесения возмущений в температурное поле объ­екта, и необходимость использования дополнительного источника пи­тания. Требования, предъявляемые к материалу ТС: возможно более высокое значение температурного коэффициента сопротивления, вы­сокое удельное сопротивление, что важно для уменьшения габаритов, химическая стойкость к воздействию окружающей среды, высокая стабильность и воспроизводимость физических свойств.

Обычно в качестве материала проводниковых термосопротивле­ний используются чистые металлы. Термометр сопротивле­ния состоит в этом случае из тонкой металлической проволоки, бифилярно намотанной на каркас из изоляционного материала. Теплочувствительный элемент помещает­ся в защитный термически и химически стойкий кожух и устанавлива­ется в исследуемой среде. В целях уменьшения инерционности преоб­разователя принимаются меры по улучшению теплового контакта тер­мочувствительного элемента со средой. С помощью медных проводов термометр сопротивления соединяется с электроиз­мерительным прибором и источником переменного или постоянного тока.

Остановимся кратко на особенностях наиболее распространен­ных термометров сопротивления – платиновых и медных.

Платиновые термометры сопротивлений. Наилучшим материалом для проволочных термометров сопротивления является пла­тина. Высокая воспроизводимость зависимости R(T), высокое удельное сопротивление, химическая стойкость и пластичность платины, позво­ляющая изготовлять очень тонкие нити, делают ее в ряде случаев не­заменимой. Платиновые термометры сопротивления (ТСП) использу­ются в очень широком диапазоне температур: от - 200 до 1100°С, так как платина допускает нагрев до 1200°С без опасности окисления или плавления. В диапазоне температур от 0 до 1000°С платиновые ТС обеспечивают наибольшую точность измерений. Нестабильность градуировочной характеристики прецизионных термометров не превышает 0,001°С. Нижний предел измеряемой температуры ограничен требованием получения достаточной точности данных при измерении малых сопротивлений.

В диапазоне температур от -150 до 450°С для платинового термосопротивления можно использовать линейную зависимость вида R(t) = R₀ (1 + αt), где t - температура в градусах Цельсия, R₀ - сопротивление при 0°С , α = 3,95∙10^-3 1/К.

Для стандартных термометров существуют градуировочные таблицы и установлены нормы на допустимые отклонения от градуировочных характеристик. Промышленность выпускает платиновые термометры с сопротивлением R₀, равным 1, 5, 10, 50, 100 и 500 Ом.

В последние годы промышленность освоила изготовление платиновых термосопротивлений методом напыления. Это позволяет резко уменьшить габаритные размеры и тепловую инерционность таких датчиков.

Д

а) трехпроводная, б) двухпроводная схема

Рис.1.3. Подключение термосопротивления к универсальному входу

ля медных термометров сопротивлений (ТСМ) уравнение преобразования практически линейное R(t) = R₀ (1 + αt), где α - температурный коэффициент сопротивления. В интервале температур от -150 до 200°С α = 0,00428 1/К. К недостаткам меди относятся быстрое окисление проводов при температуре выше 180°С и малое удельное сопротивление. Удельное сопротивление меди (при 0°С ρ_м =1,55∙10^-8 Ом∙м) в шесть раз меньше, чем у платины (9,81∙10^-8 Ом∙м), поэтому габариты медного термометра, при прочих равных условиях, получаются большими, чем у платиновых ТС. Стандартная градуировочная таблица для медного ТС охватывает диапазон температур от -150 до 200°С. Промышленные ТСМ выпускаются с номинальным сопротивлением R₀ равным 10, 50 и 100 Ом.

Для характеристики TC кроме температуроного коэффициента α, применяется также безразмерный температурный коэффициент W как отношение сопротивления датчика при температуре 100 °С к сопротивлению при температуре 0 °С. Для меди этот коэффициент W=1.4280, а для платины W=1.3850.

Достоинствами проволочных датчиков температуры являются надежность, простота конструкции, стабильность характеристики со временем и сравнительно высокая чувствительность. Они широко используются в системах термостатирования. Проволочный датчик в этом случае можно равномерно распределить по поверхности камеры термостата. При этом он будет измерять среднее значение температуры, что часто и требуется.

Подробные таблицы сопротивлений можно найти в справочниках, например, в электронном приложении к данному изданию имеется файл «НСХА_Термопреобразователи.xls», содержащий таблицы изменения сопротивлений в зависимости от температуры для основных видов термодатчиков.