4.2 Порядок выполнения работы

 

1) Запустить программу LabVIEW и после открытия файла (Компенсационный метод.vi)  должно появиться модель схемы (см. рисунок 4.4).

 

Рисунок 4.4 – Лицевая панель модели компенсатора

 

На схеме приведены: шкала гальванометра; переключатель с двумя положениями «грубо» (слева) и «точно» (справа), регулятор опорного напряжения, блок для ввода значений сопротивлений  R₁ и R₂, кнопка «STOP». Кнопка  «STOP» служит для выключения виртуального прибора.

2) Сопротивление потенциометра равно R = 1кОм.     Набрать следующие данные: R₁ = 500 Ом и R₂ = 500 Ом (к = 0,5); U₀ = 5B и U_x = 4В.

3) Установить переключатель  в положение «грубо» (влево) и  изменяя  сопротивление потенциометра R_x – магазин сопротивлений, добиться нулевого положения стрелки гальванометра. После чего необходимо перевести переключатель в положение «точно» (вправо) и произвести действия повторно. Если компенсация достигнута, то загорается лампочка «Верно».

 

4.2.1 Задание.

 Рассчитать по формуле (4.1) неизвестное напряжение U_x с учетом того, что приведенная погрешность сопротивления потенциометра R = 1кОм равна δ_R = ±0,01%.

 

 

4.3 Контрольные вопросы

 

1) В чем заключается метод компенсации?

2) От чего зависит точность измерения компенсатора?

3) Какие достоинства компенсационного метода?

4) Какие основные недостатки?

5) Можно ли использовать потенциометр в качестве датчика угла?

6) Какие основные недостатки потенциометра?

 

5 Лабораторная работа. Электрический термометр на основе моста постоянного тока

 

Цель работы: ознакомиться со схемой термометра и методом измерения электрического сопротивления терморезистора с помощью моста постоянного тока, а также с факторами, влияющими на точность измерения.

 

5.1 Общие положения

 

Схема электрического термометра на базе моста постоянного тока приведена на рисунке 5.1. Основным элементом схемы электрического термометра является мост постоянного тока, в плечи которого включены постоянные резисторы R₁,R₃, регулировочный R₂ и терморезистор R_x. Питание осуществляется от источника питания Е и подается на одну из диагоналей моста. С другой диагонали снимается выходное напряжение, измеряемое вольтметром V. Из теории электротехники вытекает, что выходное напряжение моста равно

                                                         (5.1)

Очевидно, что U_вых = 0, при условии

 

                                                           .                                                  (5.2)

                                                                

Это условие называется балансом моста.

 

Рисунок 5.1 – Схема электрического термометра

 

В качестве R_x устанавливается терморезистор, а с помощью регулировочного резистора R₂ настраивается баланс моста по нулевому показанию вольтметра, например, при комнатной температуре. Если терморезистор поместить в исследуемую среду, то последует изменение величины сопротивления терморезистора R_x и, соответственно, наступает дисбаланс моста, т.е. вольтметр на выходе покажет напряжение пропорциональное измеряемой температуре.

Тогда из (5.2) следует, что

                                                              (5.3)

Обычно в приборах на мостовых схемах R₂ = R₃ = R и k = 1.

Тогда формула (5.1) примет вид

                                                        (5.4)

Отсюда, измеряемое сопротивление равно

                                                       (5.5)

Мостовая  схема  является  дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности (числитель формулы 5.1). Если напряжение питания моста Е не стабилизировано, то при его вариациях возможна мультипликативная погрешность. Для ее исключения используется компенсационный метод измерения выходного напряжения моста.

Терморезистором называется измерительный  преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупровод­никовые. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обыч­но применяются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

 

                                                        ,                                               (5.6)

                                                         

где     Ro — сопротивление при 0 °С; 

α = 1,17 ^оС^-1 — температур­ный коэффициент меди.

Сопротивление терморезистора зависит не только от температуры окружающей среды, но и от проходящего по нему тока. Перегрев медного термометра током не должен превышать 0,4 °С, а платинового - 0,2°С. Для этого ток не должен превосходить 10-15 мА.

По­лупроводниковый терморезистор - термистор - изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьша­ется. Их функцию преобразования  обычно аппроксими­руют выражением

 

                                                      ,                                               (5.7)

                                                              

где    R_t - сопротивление термистора при температуре Т в Кельвинах;

А и В - постоянные, зависящие от материала и технологии.     

В зависимости от типа они могут применять­ся для измерения температур от -100 до +120-600 °С. Их чувствитель­ность в 6-10 раз больше, чем чувствительность металлического тер­морезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие мас­сы и размеры (диаметр от 0,006 до 2,5 мм).

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случа­ях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить темпера­туру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью. Они широко используются, например, в биологии. С помощью термистора, смонти­рованного на острие иглы, можно измерить температуру внутренних органов живого организма. Широкое применение термисторы нахо­дят в различных приборах для температурной коррекции характери­стик приборов.

 Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность  характеристик. В течение первой недели их сопротивление может измениться на 1-1,5%.  В дальнейшем изменение сопротивления термистора происхо­дит медленнее, не превышая 0,2% в год.

В менее ответственных случаях для измерения температуры используются мосты с руч­ным уравновешиванием, в производственных условиях — автомати­ческие. Упрощенная схема автоматического моста показана на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 – Схема автоматического моста для измерения температуры

 

Измерительная цепь представляет собой мост, состоящий из мангани­новых резисторов R₁-R₃ и терморезистора R_t. Если мост не уравновешен, напряжение измерительной диагонали усиливается и подается на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя через редуктор соединен с движком реохорда R_р и перемещает его так, чтобы напряжение разбаланса уменьшалось.

Терморезистор подключается к мосту с помощью двух или трехпроводного кабеля. Двухпроводный кабель включается последовательно с термометром в одно плечо, что вносит погрешность в измерение. При трехпроводной схеме (см. рисунок 5.2) по одной жиле кабеля к термометру подводится напряжение питания Е, а терморезистор подсоединяется в смежные плечи моста. Одинаковые изменения их сопро­тивлений практически не разбалансируют мост. Таким образом, исклю­чается погрешность, которая могла бы быть при изменении температу­ры кабеля.