Технические измерения и приборы

Термоанемометр – тонкая платиновая разогреваемая постоянным током проволока, помещенная в поток газа. Сопротивление проволоки зависит от скорости потока (можно измерять скорость и расход газов и жидкостей).

Электрический газоанализатор – два одинаковых разогревае-

мых постоянным током сопротивления, помещенные один в воздушную среду, другой – в среду с повышенным содержанием углекислого газа СО2, имеющие различные сопротивления. Теплопроводность в среде СО2 значительно меньше, чем в среде воздуха.

Электрический вакуумметр – чем глубже вакуум, тем хуже условия теплоотдачи разогреваемого постоянным током сопротивления (измеряем давление и плотность газов).

Чтобы исключить влияние колебаний окружающей среды, следует стремиться обеспечить интенсивный собственный нагрев сопротивления (платина, вольфрам, никель, полупроводниковые резисторы) – до 200÷600 С.

6.4.4. Неметаллические термометры сопротивления

Кроме металлов для изготовления термометров сопротивления применяют также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана, их смеси, а также углерод.

Угольный термометр сопротивления имеет высокое удельное электрическое сопротивление и значительный отрицательный температурный коэффициент. Чувствительным элементом угольных термометров являются стержни из графита или углей. Графит не изменяет своих свойств при высоких температурах, поэтому такие термометры применяются для измерения температур до 2300 К. Угольный термометр не чувствителен к магнитным полям.

Большинство полупроводниковых материалов обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и также очень большим удельным сопротивлением. Поэтому можно изготавливать очень малые по размерам чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления, обладающих значительным коэффициентом преобразования.

201

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в интервалах, не превышающих 100 °С, определяется выражением

RT AT b exp(B /T ) ,

где RT – сопротивление при температуре T, в кельвинах; A, b, B – постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала полупроводника.

В узких интервалах температур (не более 25 °С) используется более простое выражение

RT AT exp(B /T ) .

В связи с тем, что технология получения полупроводниковых термопреобразователей сопротивления не позволяет изготавливать их с идентичными характеристиками, они не отвечают полностью требованию воспроизводимости. Все полупроводниковые термопреобразователи сопротивления имеют индивидуальные градуировочные характеристики.

Особенно большое распространение получили германиевые терморезисторы для измерения температур от 1,5 K и выше. Для интервала от 4,2 до 13,81 K они применяются для воспроизведения температурной шкалы. Германиевые терморезисторы, применяемые для технических измерений, имеют предел допускаемых погрешностей ±(0,05÷0,1) К. Для эталонных германиевых терморезисторов стабильность градуировочной характеристики не хуже ± 0,001 К.

Для измерения температур от минуса 100 до плюс 300 °C применяются окисные полупроводниковые материалы. Коэффициенты преобразования полупроводниковых терморезисторов могут быть на несколько порядков выше, чем у термометров сопротивления с чувствительным элементом из металлической проволоки. Однако необходимость индивидуальной градуировки существенно ограничивает возможности широкого применения полупроводниковых терморезисторов для измерения температуры.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы, позисторы), широко применяются в системах температурной сигнализации. Это

202

вызвано тем, что они обладают способностью изменять свое сопротивление скачкообразно в несколько раз при достижении определенной температуры, что вызывает соответствующее увеличение тока и срабатывание системы сигнализации (релейный эффект). Это связано с тем, что при определенном уменьшении сопротивления увеличивающийся ток приводит к саморазогреву термистора (появляется положительная обратная связь).

Чувствительный элемент термистора изготавливают из медномарганцевых и кобальто-марганцевых и других соединений в виде стержней, дисков или шариков. Шариковые термистры монтируют на тонких проводниках в вакуумированной или наполненной инертным газом ампуле. Диапазон измеряемых температур небольшой от –60 до +180 С. Но термисторы обладают высокой точностью и наименьшей постоянной времени по сравнению с другими типами термометров

(для МТ-54 Т ≈ 0,02 с).

Термисторы ММТ-1, КМТ-1 внешне подобны резисторам. Характеристики термисторов приведены на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Зависимость сопротивления термисторов от температуры

Новые датчики температуры на основе высокостабильных термисторов начинают выпускать на Московском заводе тепловой автоматики. Сопротивление термисторов выбрано большим (R = 10 кОм при 20 С), что позволяет подключать их по 2-проводной линии и удеше-

203

вить монтаж. Линеаризация характеристик осуществляется программным путем в микропроцессорных контроллерах (например, контроллер Минитерм). Достоинство термисторных датчиков – существенно меньшая инерционность по сравнению с распространенными низкоомными термометрами сопротивления.

6.4.5. Устройство термометров сопротивления

Чувствительный элемент металлического термометра сопротивления состоит, как правило, из проволоки или ленты, которая намотана на каркас из стекла, кварца, керамики, слюды или пластмассы.

От чувствительного элемента идут выво-

204

мометра и подключения соединительных проводов. Головка закрывается крышкой. Соединительные провода выводятся через штуцер.

Для уменьшения влияния внешних электрических и магнитных полей чувствительные элементы термометров сопротивления делают с безындуктивной намоткой.

Чувствительный элемент медного термометра сопротивления состоит из медной изолированной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной в несколько слоев на цилиндрический каркас из пластмассы или металла. Слои проволоки скрепляются между собой и каркасом лаком. К обоим концам проволоки припаиваются медные выводы диаметром 1÷1,5 мм. Чувствительный элемент помещают в защитную оболочку.

Кроме каркасных выпускаются чувствительные бескаркасные элементы медных термометров сопротивления. Чувствительный элемент изготавливается из изолированной проволоки диаметром 0,08 мм безындуктивной бескаркасной намоткой. Отдельные слои скреплены лаком, и затем весь чувствительный элемент обернут фторопластовой пленкой. Чувствительный элемент помещают в тонкостенную защитную металлическую оболочку, которая засыпается керамическим порошком и герметизируется.

205

иридиево-родиевой проволоки. Чувствительный элемент в керамическом каркасе герметизируется специальной глазурью 5. Такая конструкция обеспечивает хорошую герметичность ввиду малой газопроницаемости керамики каркаса и глазури. Закрепление спирали только в двух точках обеспечивает незначительное механическое напряжение. Чувствительные элементы оказываются вследствие плотной засыпки пространства между спиралями и каркасом керамическим порошком достаточно прочными и вибростойкими. Они могут применяться в интервале температур от минус 260 до плюс 1000 °C.

Недостатком платины является трудность покрытия ее изоляционными эмалями, что не позволяет получать платиновую проволоку в изоляции и существенно затрудняет разработку малогабаритных и надежных платиновых термометров сопротивления.

6.4.6. Способы подключения термометров сопротивления

При измерении температуры термометрами сопротивления необходимо измерить сопротивление терморезистора, который подключается к прибору соединительными проводами. Поэтому сопротивление, подключенное к измерительному прибору, представляет собой сумму сопротивлений терморезистора и медных соединительных проводов.

Чтобы минимизировать влияние дополнительного сопротивления на результаты измерения, используют различные способы, которые зависят от схемы подключения термометра и метода измерения.

Применяется двух-, трех- и четырехпроводная схема подсоединения термометров сопротивления к измерительному прибору (рис. 6.17).

Другая особенность, которая имеет место при измерении сопротивления термометра, заключается в том, что для измерения сопротивления по терморезистору должен протекать ток.

При этом согласно закону Джоуля–Ленца выделяется теплота, которая нагревает термометр до более высокой температуры, чем температура измеряемой среды, что вызывает соответствующее изменение его сопротивления.

206

ного (градуировочного) значения. Однако если в процессе эксплуатации температура соединительных проводов будет отличаться от их температуры при подгонке сопротивления, то и само сопротивление этих проводов будет отличаться от градуировочного значения. Погрешность, вызванная неправильностью подгонки или изменением сопротивления с температурой, независимо от диапазона измерения измерительного прибора для двухпроводной схемы подключения термометра, может быть определена из выражения

где t – погрешность измерения, °C; Rлэкс – значение сопротивления линии в условиях эксплуатации, Ом; Rлгрд – градуировочное значение сопротивления линии. Ом; S – коэффициент преобразования термометра в области измеряемой температуры, Ом/°C.

208

Для уменьшения погрешности, вызываемой несоответствием сопротивления соединительных проводов градуировочному значению, применяют трехпроводную или четырехпроводную схему подключения термометров сопротивления.

6.4.6.2. Трехпроводная схема подключения

Принцип уменьшения влияния сопротивления соединительных проводников при трехпроводном подключении показан на примере мостовой схемы измерения активного сопротивления.

Четырехплечий измерительный мост показан на рис. 6.19.

Рис. 6.19. Схема одинарного моста

Условие равновесия четырехплечего моста постоянного тока

Измеряемое сопротивление считается включенным в первое плечо моста, тогда из условия равновесия R1 определяется

R1 R3 R2 .

R4

209

Мост приводится в равновесие сопротивлением R3, отношение R2/R4 является масштабным множителем, который выбирается равным 10n, где n целое положительное или отрицательное число, или ноль.

Третье плечо моста называется плечом уравновешивания, а второе и четвертое – плечами отношения, с помощью которых задается предел измерения.

Трехпроводная схема подключения термометра показана на рис. 6.17, б. Соединительные провода от головки термометра идут к измерительной ветви, сравнительной ветви и источнику питания. В симметричных уравновешенных схемах, когда сопротивления измерительной и сравнительной ветвей одинаковы, изменение температуры соединительных проводов не вызывает погрешности, так как сопротивление проводов изменяется на одну и ту же величину. Подгонка сопротивления соединительных проводов осуществляется последовательным измерением попарно соединенных проводов.

Трехпроводная схема включения показана на рис. 6.20, где r1, r2, r3, – сопротивления соединительных проводов.

Найдем условие, при котором сопротивления соединительных проводов не влияют на результат измерения сопротивления R1.

Рис. 6.20. Трехпроводная схема включения измеряемого сопротивления

210