Измерение температуры термопреобразователями сопротивления. Методические указания к лабораторной работе

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе

Казань Издательство КНИТУ

2016

Лабораторная работа №4

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления

Цель работы: ознакомиться с принципом действия и устройством термопреобразователей сопротивления; произвести измерение температуры с помощью термопреобразователя сопротивления в комплекте с универсальным нормирующим преобразователем и измерителем-регулятором; определить погрешность измерения комплекта и его пригодность.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Принцип действия термопреобразователя сопротивления основан на свойстве металлов и полупроводников изменять своё электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Величину, характеризующую изменение электросопротивления материалов в зависимости от температуры, называют температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и обозначают α. Если Rt – электрическое сопротивление при некоторой температуре t, а R0 – электрическое сопротивление при 0˚С, то температурный коэффициент сопротивления можно определить по формуле:

Rt R0 , град-1

R0 t

Металлы имеют положительный ТКС (для большинства чистых металлов =0,004 – 0,006 град-1) [1].

К металлам, применяемым в качестве чувствительных элементов, предъявляется ряд требований:

1.физические характеристики должны незначительно отличающиеся от партии к партии,

2.не должны окисляться,

3.ТКС должен быть значительным,

3

4.зависимость сопротивления от температуры близка к линейной,

5.градуировочная характеристика должна быть стабильна во времени,

6.большое удельное сопротивление,

7.невысокая стоимость.

Кматериалам, отвечающим этим условиям, относятся следующие металлы: платина, медь, никель и железо. Наибольшее практическое применение нашли платина и медь, реже - никель [1]. Известно, что данные металлы обладают низким удельным сопротивлением, поэтому чувствительный элемент таких преобразователей выполняют из тонкой проволоки или ленты.

Платиновую проволоку применяют в образцовых и технических термопреобразователях сопротивления. Диапазон температур, при которых работают платиновые термопреобразователи

сопротивления, составляет –260 +11000С. К недостаткам платины относится отклонение температурной зависимости сопротивления от линейного закона.

Медь применяется в термопреобразователях сопротивления, измеряющих температуру от –2000С до +2000С и имеют высокий ТКС (0,0043 – 0,0027 град-1). Производство меди высокой чистоты не представляет затруднения. Сопротивление меди линейно зависит от температуры. Материал легко окисляется при нагревании, что обусловливает невысокий верхний предел измерения [1].

В зависимости от назначения термопреобразователи сопротивления (ТС) бывают эталонные (платиновые), образцовые (платиновые) и рабочие. К рабочим ТС относятся лабораторные (преимущественно платиновые) и технические (платиновые и медные).

При эксплуатации технических ТС важна их взаимозаменяемость, основным условием которой является равенство сопротивлений всех термопреобразователей при определённой температуре в пределе установленных допусков. Взаимозаменяемость достигается изготовлением таких датчиков, которые имеют стандартные градуировки. Градуировка термопреобразователя сопротивления - зависимость R = f(t). При этом все термометры одной

4

градуировки имеют одинаковые сопротивления при 0˚С и равные значения ТКС (α.).

Промышленные термопреобразователи сопротивления в РФ выпускаются в соответствии с ГОСТ 6651-2009 трёх типов: платиновые, медные и никелевые термометры сопротивления. Номинальное значение сопротивления при 0˚С, условное обозначение номинальной статической характеристики (НСХ) и диапазон измеряемых температур приведены в табл. 1 [2].

Градуировка Pt100 была заимствована из иностранных стандартов, поэтому коэффициент α имеет другое значение.

Чувствительный элемент ТС из чистых металлов изготавливается путём специальной безиндуктивной намотки тонкой (0,05...0,08 мм) проволоки на каркас из изоляционного материала,

например слюды. Намотка должна быть безындуктивной, так как индуктивное сопротивление чувствительного элемента термопреобразователя должно быть минимальным. Это связано с тем, что

5

чувствительный элемент содержит большое число витков провода и, при обычной намотке, будет иметь значительное индуктивное сопротивление на переменном токе. Для обеспечения безындуктивности, обычно выполняется бифилярная намотка — намотка вдвое сложенным проводом, по которому ток протекает в прямом и обратном направлениях и тогда две включенные навстречу друг другу индуктивности взаимно компенсируются.

Для предохранения от повреждений проволоку вместе с каркасом помещают в защитную оболочку (гильзу). От чувствительного элемента идут выводы к зажимам головки термопреобразователя, к которым подводятся провода, присоединяющиеся затем к измерительному прибору (рис. 1).

Рис.1. Конструкция термопреобразователей сопротивления: 1 - платиновая проволока; 2 - каркас; 3 - серебряная лента; 4 - слюдяная пластинка; 5 - выводы; 6 - чувствительный элемент;

7 –изоляционный порошок; 8 - защитная арматура; 9 - зажим; 10 - крышка; 11 - головка; 12, 13 - штуцера под кабель и штуцер для

крепления оправы; 14 – изоляторы

Кроме металлов, для изготовления ТС применяются также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца,

6

кобальта, магния, титана и их смеси, такие ТС называются терморезисторами. Большинство полупроводниковых материалов обладают высоким отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и также очень большим удельным сопротивлением. Поэтому можно изготавливать малые по размерам чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления, обладающих значительным коэффициентом преобразования, что позволяет измерять температуры в малом объёме, с малой инерционностью и не учитывать сопротивление соединительных линий [1].

Зависимость сопротивления полупроводникового термопреобразователя (терморезистора) от температуры нелинейная, экспоненциальная и может быть описана формулой:

где R0 – сопротивление терморезистора при температуре Т0, как правило, Т0=293К (20˚С); Rt – сопротивление при температуре Т; B – коэффициент, зависящий от материала проводника.

В связи с тем, что технология получения терморезисторов не позволяет изготавливать их с идентичными характеристиками, все полупроводниковые термопреобразователи сопротивления имеют индивидуальные градуировочные зависимости, следовательно, не являются взаимозаменяемыми, но благодаря высокой чувствительности применяются в системах сигнализации.

При измерении температуры термопреобразователем сопротивления необходимо точно определить значение сопротивления, для чего используют мостовые схемы.

Уравновешенные мосты применяются для измерения температуры в комплекте с термопреобразователями сопротивления [3]. На рис. 2 представлена упрощенная схема неавтоматического моста.

7

Рис. 2. Схема уравновешенного моста

R1, R3 - постоянные сопротивления;

R2 – сопротивление реохорда (переменное); Rt – термопреобразователь сопротивления; НП – нуль-прибор

Термопреобразователь сопротивления Rt находится в объекте измерения (теплообменник, реактор, печь и т.д.), а измерительная часть моста установлена на пульте оператора.

В измерительной схеме ток от источника Uпит. Протекает по двум ветвям: асb и adb. Меняя значение R2 можно добиться такого состояния, при котором разность потенциалов в точках с и d, а следовательно и ток в диагонали моста сd, равны нулю (определяется по нуль-прибору). Это состояние называется равновесием моста.

Мост будет находиться в равновесии, когда произведение сопротивлений противоположных плеч моста равны, т.е.

R1Rt=R2R3.

Это выражение называется уравнением баланса моста. В нем, каждому значению Rt будет соответствовать определённое значение R2, так как сопротивления R1 и R3 постоянные. Измерение температуры проводят после достижения равновесия моста с

8

помощью реохорда R2. Значение температуры считывают по шкале реохорда R2.

Необходимо учитывать, что термопреобразователь сопротивления Rt часто находится на значительном расстоянии от измерительной схемы моста и влияние сопротивлений внешних соединительных проводов Rвн может быть существенным за счёт изменения температуры окружающей среды. Уравнение баланса при этом имеет вид: R2R3=(Rt+2Rвн)R1. Этот недостаток устраняется применением трёхпроводной схемы соединения моста с термометром сопротивления (рис. 3) [3].

Рис. 3. Трёхпроводная схема уравновешенного моста

Такое изменение схемы приводит к тому, что сопротивление внешних проводов Rвн оказываются в разных плечах моста и, следовательно, в разных частях уравнения, поэтому их влияние на баланс компенсируется:

R3(R2+Rвн)=R1(Rt+Rвн)

При условии, что R1=R3 зависимость между Rt и R2 становится однозначной: R2=Rt.

Преимуществом уравновешенных мостов является их нечуствительность к стабильности напряжения источника питания

9

Uпит, а недостатком – необходимость каждый раз при измерении уравновешивать мостовую схему.

Неуравновешенные мосты (рис. 4) обладают тем преимуществом, что не требуют уравновешивания тока в их измерительной диагонали. Величина этого тока и является мерой измеряемого мостом сопротивления Rt, а следовательно и температуры.

Возможность непосредственного отсчета температуры по шкале милливольтметра (mV) – ещё одно преимущество неуравновешенного моста перед лабораторным уравновешенным мостом [3].

Рис. 4. Схема неуравновешенного моста

На принципиальной схеме неуравновешенного моста (рис. 4) в которой R1, R2 и R3 - постоянные сопротивления плеч моста; R - реостат; RK - контрольное сопротивление; Rt - сопротивление термометра; Iм - сила тока, протекающего по рамке милливольтметра

[1].

Необходимо учитывать, что такие схемы очень чувствительны

кнестабильности напряжения питания (Uab) поэтому перед

измерением его необходимо проконтролировать. Для этого в схему моста параллельно термометру включается манганиновое контрольное сопротивление Rк, равное сопротивлению термометра при

10