ГМИ методичка

Чувствительность неуравновешенного термометра сопротивления Sнтс – это отношение изменения тока i к соответствующему изменению температуры t, т. е.:

Основные источники погрешностей термометров сопротивления и способы их устранения в книге [1].

3.2. Порядок выполнения работы

Для выполнения работы необходимы:

––терморезистор (рис. 3.5, 1);

––термостат и кипятильник для подогрева воды;

––термометр для измерения температуры воды в термостате;

––мультиметр В7-20 (или другой аналогичный прибор для измерения напряжения и сопротивления) (рис. 3.5, 2);

––зеркальный гальванометр (рис. 3.5, 3);

––гальванометрснулевымотсчетомвначалешкалы(рис.3.5,4);

––лабораторный стенд, позволяющий собрать схемы УТС и НТС (рис. 3.5, 5).

1.Измерьте (с помощью термометра) и запишите комнатную температуру воздуха. Измерьте сопротивление готового терморе­ ­ зисто­ ­ра при комнатной температуре с помощью цифрового мультиметра В7-20. Для этого подсоедините датчик к клеммам «0» и «1R» на задней панели прибора. Переключатель рода работ поставить

вположение «W», а переключатель пределов – в положение «1».

2.Соберите схему уравновешенного термометра сопротивления (рис. 3.1), воспользовавшись магазинами сопротивлений в качестве резисторов R1, R2 и R3.

Установите следующие примерные значения сопротивлений магазинов: R3 = Rt; R2 = 10Rt; R1 = 0,1Rt. Перед включением собранная вами схема должна быть проверена инженером. Включите питание (подайте напряжение на схему) и подберите сопротивление R2 так, чтобы при максимальном напряжении питания моста

41

Рис. 3.5. Приборы необходимые для исследования УТС и НТС:

1 – терморезистор; 2 – мультиметр В7-20; 3 – зеркальный гальванометр; 4 – гальванометр с нулевым отсчетом в начале шкалы; 5 – лабораторный стенд

(потенциометр R4 полностью введен) гальванометр G показывал бы нулевое значение. Так как возможны отклонения стрелки как влево, так и вправо от нулевого положения, то воспользуйтесь гальванометром с нулевым отсчетом в середине шкалы.

Внимание! Продолжительное включение схемы ведет к нагреву датчика протекающим током, поэтому включайте схему лишь на короткое время, чтобы убедиться в отключении стрелки гальванометра в ту или другую сторону, а регулировку проводите при выключенной схеме. Затем снова на мгновение включите ключ и при необходимости снова измените R2, добившись в конце концов нулевого показания.

3. Проградуируйте собранный термометр. Опустите в термостат датчик и образцовый термометр. Убедитесь (по неизменности показаний), что термометры приняли температуру воды в термостате и установите точное равновесие моста так же, как при выполнении п. 2. Запишите температуру по образцовому термометру и соответствующее сопротивление R2. Сделайте несколько отсчетов при постоянной температуре воды для исключения случайной погрешности.

42

Измените температуру воды в термостате, снова установите равновесие моста с помощью магазина R2 и снова сделайте несколько отсчетов. Так проделайте 8–10 раз, заполнив заранее заготовленную таблицу R2(t), аналогичную табл. 1.1.

4. Соберите схему неуравновешенного термометра сопротивления (рис. 3.3). Сопротивление всех плеч моста следует брать примерно равными сопротивлению датчика при комнатной температуре. Тогда при комнатной температуре термометр должен быть уравновешен. Если все-таки наблюдается некоторый разбаланс, то два из сопротивлений R1, R3, R2, берут равными сопротивлению датчика, а третье подбирают таким, чтобы при комнатной температуре датчика мост находился в равновесии. Подключите в схему вольт­ метр. В качестве вольтметра используется цифровой мультиметр В7-20. Для этого переключатель «Род работ» мультиметра установите в положение «–V» (постоянное напряжение), а переключатель «Предел» в положение «10». Для подключения вольтметра в схему используйтеклеммы«0»(левая)и«V1–10»(правая).Включитесхе- муиизмерьтеспомощьювольтметразначениенапряженияпитания моста. Рекомендуемое значение U = 1–1,5 B.

5. Проградуируйте неуравновешенный термометр сопротивления. Градуировка неуравновешенного термометра сопротивления производится так же, как и уравновешенного, с той лишь разницей, что сопротивление R2 теперь не изменяют, а определяют ток по гальванометру. Для этого необходимо взять гальванометр с нулевым отсчетом в начале шкалы и известной ценой деления Ca. Фиксируйтезначениетокапогальванометру(сучетомегоценыделения Ca = 2 мкА). Не забудьте записать значение внутреннего сопротивления гальванометра (Rg = 350 Ом).

Напряжение питания моста должно быть постоянным в течение всего периода градуировки неуравновешенного термометра сопротивления. Если в процессе работы напряжение изменилось, отрегулируйте его с помощью потенциометра R4.

6. Выключите установку из сети и разберите схему.

3.3. Обработка результатов

1. По полученным данным постройте градуировочные графики – для уравновешенного термометра график Rt = R2(t), для неуравновешенного термометра – i = i (t).

43

3.5.Контрольные вопросы

1.Нарисуйте по памяти мостовую измерительную схему. Объясните,что такое уравновешенный и неуравновешенныймосты,как схемы для измерения сопротивления.

2.Поясните по нарисованной на память схеме принцип действия уравновешенного термометра сопротивления (УТС).

3.Поясните, что такое чувствительность УТС. Выведите формулу S = α ∙ R2. Каков будет вид формулы для S, если регулируемое плечо противоположно терморезистору?

Примечание. Во всех вопросах, касающихся чувствительности,

ответ должен начинаться с определения чувствительности, как общего свойства любого измерительного прибора.

4.КакиеВызнаетеспособыувеличениячувствительностиУТС?

5.Перечислите погрешности УТС (2 погрешности).

6.Предложите способы устранения погрешности, связанной

снагревом терморезистора током (4 способа).

7.Предложите способы устранения погрешности, связанной

сизменением температуры подводящих проводов. Нарисуйте на память трехпроводную схему, объясните особенности ее работы.

8.Поясните по нарисованной на память схеме принцип действия неуравновешенного термометра сопротивления (НТС).

9.Перечислите погрешности НТС (4 погрешности).

10.Предложите способы устранения погрешности, связанной

сизменением ЭДС источника питания. Нарисуйте схему с конт­ рольным­ сопротивлением и объясните её работу. Для чего в схему включен потенциометр?

11.Поясните, что такое чувствительность НТС. Предложите способы увеличения чувствительности. В чем заключается дилемма «чувствительность или погрешность?» и как она решается?

12.Поясните по готовой схеме работу автоматически уравновешивающегося термометра сопротивления (АУТС), как следящей системы. Поясните блок-схему следящей системы.

13.Объясните направление движения двигателя в зависимости от разности фаз двух сигналов. Объясните зависимость разности фаз сигналов от направления изменения температуры.

14.Изложите порядок выполнения работы. Как Вы будете использовать термостат для нагрева термометра?

15.Каков порядок градуировки УТС? Как Вы будете использовать потенциометр при градуировке? Как следует выбирать рези-

сторы R2, R3 и R4? Почему?

45

16.Как Вы будете использовать гальванометры с разным положением нуля при градуировке УТС и НТС?

17.Изложите порядок градуировки НТС. Как вы будете выбирать значения резисторов R2, R3 и R4? Почему при градуировке НТС нельзя перемещать ползунок потенциометра?

18.Изложите порядок обработки результатов. Какие графики должны быть построены? Как следует графически определять чувствительность УТС и НТС?

19.Какиевеличиныследуетизмеритьдлярасчетачувствительности УТС и НТС по формулам?

3.6.Литература

1.Григоров Н.О., Саенко А.Г., Восканян К.Л. Методы и сред-

ства метеорологических измерений. Метеорологические приборы. Учебник по курсу. 2012. С. 30–45.

2.Григоров Н.О. Презентации курса лекций «Гидрометеороло-

гические измерения». http://gmi.rshu.ru. Темы 1.3–1.6.

3.Качурин Л.Г. Методы метеорологических измерений. Методы зондирования атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

4.Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических

величин. – М.: Высшая школа, 1989.

4. Термоэлектрические термометры. Лабораторная работа № 4

Цельработы–изучитьпринципдействиятермоэлектрических термометров – термопары и термобатареи. Проградуировать термопару и термобатарею и сравнить их чувствительность. Изучить компенсационную электрическую схему и проградуировать термопару и термобатарею с использованием потенциометра постоянного тока ПП-63 или его аналога.

4.1. Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические термометры – термопары и термобатареи – практически не употребляются в метеорологических измерениях непосредственно для измерения температуры. Это связано

46

прежде всего с тем, что термопара (термобатарея) предназначена для измерения разности температур, а не самой температуры среды. Тем не менее, термопара (термобатарея) применяется во многих метеорологических приборах в тех случаях, когда необходимо измерение именно разности температур (например, в актинометрических приборах).

Термоэлектрические термометры основаны на явлениях, заключающихся в том, что нагревание или охлаждение спаев провод­ ников, отличающихся химическими или физическими свойствами, сопровождается возникновением электродвижущей силы. Главнейшие из них – закон Зеебека и закон Пельтье. Сформулируем их.

Закон Зеебека: в замкнутой цепи, содержащей два спая двух разнородных проводников, возникает электрический ток, пропорциональный разности температур этих спаев.

Закон Пельтье: если по цепи, содержащей два спая двух разнородных проводников, пропустить электрический ток, то температура одного их проводников повысится, а второго – понизится.

Мы видим, что эти два закона в какой-то степени противоположны друг другу. Закон Зеебека является основой измерения разноститемпературтермоэлектрическимитермометрами.ЗаконПельтье, как мы увидим дальше, является одним из источников ошибок термоэлектрических термометров.

Простейшим термоэлектрическим термометром является термопара, составленная из двух разнородных проводников А и Б, с гальванометром G в качестве индикатора ЭДС (рис. 4.1).

Величина и полярность термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей при нагревании или охлаждении одного из спаев термопары, зависит от рода проводников, составляющих пару, и от температуры спаев.

Измеряя ЭДС, развиваемую парой, можно рассчитать разность температур спаев. Таким образом, термопара действительно может служить датчиком разности температур.

Для металлических пар при небольших (до нескольких десятков градусов) значениях разности температур уравнение для термоЭДС может быть записано в виде:

47

Этим уравнением мы и будем пользоваться в дальнейшем. Величину e принято называть табличной термоЭДС. Положив в уравнении (4.1) t = 1 °С, получим ε = e, откуда следует, что табличная термоЭДС – это есть термоЭДС, развиваемая данной парой при разности температур спаев 1 °С.

В справочниках обычно приводится величина e для проводников в паре с платиной (Приложение 4). Табличная термоЭДС любых двухпроводниковравнаалгебраическойразноститабличныхтермоЭДС этих проводников в паре с платиной. Так, например, для пары

медь-константан e = (+0.75 − (−3.5)) 10−5 = +4.75 10−5 в/К. Знак при

величине e указывает направление тока: плюс означает, что в более нагретом спае ток идет от первого проводника ко второму, минус – наоборот.

Соединив последовательно несколько термопар, мы получим термобатарею, термоЭДС которой равна сумме термоЭДС всех пар. Если все пары одинаковы и разность температур спаев одна и та же для всех пар (рис. 4.2), то суммарная ЭДС, развиваемая батареей, пропорциональна числу пар.

Термопара и термобатарея иногда объединяются одним назва-

нием – термоэлектрические термометры.

Введем понятие о чувствительности термоэлектрических термометров. Для измерения термоЭДС или термотока в цепь последовательно с термопарой или термобатареей необходимо включить измерительный прибор (гальванометр или иной другой). Тогда будем понимать под чувствительностью термоэлектрического термо-

метра численное значение производной ddJt , где J – ток в цепи,

t = t1 − t2 . Можно сказать, что чувствительность термоэлектриче-

ских термометров численно равна изменению тока в цепи при изменении разности температур спаев на один градус.

Рис. 4.2. Термобатарея

48

Если сопротивление одной пары Rp, число пар в термобатарее равно n, а внутреннее сопротивление измерительного прибора RG, то значение тока в цепи:

где r – сопротивление подводящих проводов. Отсюда получаем выражение для чувствительности S:

Легко видеть, что если общее сопротивление термобатареи пренебрежимо мало по сравнению с остальными слагаемыми в знаменателе (4.1), т. е. при nRp RG +r , то чувствительность термо­

электрического термометра пропорциональна числу пар. Если же наблюдается обратное соотношение, т. е. nRp RG +r , то величи-

на n в формуле (4.3) сокращается и чувствительность вообще не зависит от числа пар. Обычно стремятся именно к первому случаю, тогда увеличение числа термопар ведет к увеличению чувствительности. Но если неравенство не столь сильное, то чувствительность все-таки не пропорциональна числу пар.

Рассмотрим погрешности (источники ошибок) термоэлектрических термометров. Их три.

1.Уменьшение разности температур спаев по сравнению с действительной разностью температур точек, в которые они помещены, в результате действия явления Пельтье. В самом деле, термоток, протекающий по термопаре, вызывает, в свою очередь, появление разности температур спаев (явление Пельтье). Эта разность имеет противоположный знак по сравнению с разностью температур, вызвавшей термоток. Следовательно, холодный спай будет несколько нагреваться, а теплый – охлаждаться.

2.Изменение температуры проводников, в результате чего изменяется их сопротивление, а следовательно – измеряемый ток.

3.Изменение чувствительности измерительного прибора (гальванометра) при изменении температуры. Действительно, внутреннее сопротивление прибора изменяется при изменении температуры, как и всякое другое. Следовательно, изменяется и ток.

Все три источника ошибок устраняются одновременно с помощью компенсационной схемы, изображенной на рис. 4.3.

49

Рис. 4.3. Компенсационная схема

В компенсационной схеме (рис. 4.3) два источника тока – термопара и внешний источник (батарея с потенциометром). Потенциометр позволяет изменять напряжение, подаваемое с внешнего источника, а следовательно, и величину внешнего тока. Таким образом, по термопаре текут два тока – термоток, создаваемый самой термопарой, и внешний ток. Если они противоположны по знаку и равны по абсолютной величине, то общий ток через термопару равен нулю. В этом случае первая погрешность (связанная с явлением Пельтье) вообще исчезает, а изменение сопротивления проводников и гальванометра никак не влияет на схему, т. к. ток равен нулю. Но как же теперь измерять термоток? Это делается с помощью другого прибора – микроамперметра, измеряющего внешний ток, который, как мы уже сказали, равен термотоку по модулю.

Итак, последовательность работы с компенсационной схемой следующая. Сначала с помощью потенциометра R1 добиваемся ну- левоготокачерезтермопару–вэтомслучаегальванометрG должен показатьноль.Затемизмеряемтокпомикроамперметруипользуясь формулой (4.2) вычисляем разность t.

Однако, нецелесообразно использовать в такой простой схеме два измерительных прибора. Вспомним, что внешний ток однозначно определяется положением ползунка потенциометра R1. Потому можно просто проградуировать шкалу, нанесенную около ползунка, и пользоваться ею. Однако, для этого необходимо, чтобы падение напряжения от внешнего источника на потенциометре R1 было бы постоянным. Значит, должно быть предусмотрено контрольное устройство для этого условия и возможность корректировки падения напряжения.

Все это реализуется в измерительных приборах, выпускаемых промышленностью.

50