1
Лабораторная работа № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЕРКА ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕРМОМЕТРА СОПРОТИВЛЕНИЯ
1. Цель работы
Изучение конструкции, принципа действия и метрологических характеристик промышленных термометров сопротивления, а также приобретение практических навыков их поверки.
2. Теоретическая справка
Принцип действия терморезистивных преобразователей основан на ис-
пользовании свойства проводников или полупроводников менять свое сопротивление при изменении температуры. Металлические терморезистивные преобразователи принято называтьтермометрами сопротивления (терморезисторами), а полупроводниковые - термисторами.
Терморезисторы чаще всего изготавливают из платины и меди, гораздо реже из никеля, вольфрама или других чистых металлов. Типовая конструкция термометра сопротивления показана на рис. 1. Обычно он представляет собой проволочную спираль 1 с выводами 2, уложенную в канавки специального керамического каркаса 3, уплотненного порошкообразной окисью алюминия 4, которая одновременно является хорошим изолятором, обладает большой теплостойкостью и хорошей теплопроводностью. Каркас для прочности помещается в металлическую гильзу 5 и герметизируется.
Рис. 1.
Стандартные платиновые терморезисторы работают в диапазоне температур от –260 оС до +1100 оС. Температурная зависимость сопротивления платины в диапазоне 0 – 650 оС описывается уравнением
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7
2
Rt = R0 (1 +at + bt 2 ) ,
где Rt и R0 - сопротивления преобразователя при температуреt и 0 оС, a и b - постоянные коэффициенты, значения которых приведены в справочниках.
В интервале температур –200 – 0 оС эта зависимость усложняется
Rt = R0 (1+at + bt 2 +g (t -100)3 ) ,
где g - также коэффициент из справочника.
Зависимости Rt = f(t) для температур ниже –200 оС и выше +650 оС аналитически не выражаются вообще и приводятся только в виде таблиц. Но даже для тех диапазонов, где аналитические выражения получены, обычно используют также таблицы, которые принято называть градуировочными характеристиками и которые приводятся в справочниках и ГОСТах.
Медные терморезисторы гораздо дешевле платиновых и имеют в отличие от последних линейную характеристику Rt = f(t)
Rt = R0 (1 +at) ,
где a - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) меди, равный 4,28 10-3 К-1. Однако диапазон температур, при которых возможно применение медных терморезисторов, значительно уже и составляет от -50 до +180 оС.
Основные параметры платиновых и медных терморезисторов, а также их градуировочные характеристики, стандартизованы согласно ГОСТ 6651-84. Так,
о
например, сопротивления стандартных платиновых терморезисторов при0 С должны быть из ряда 1, 5, 10, 46, 50, 100, 500 Ом, а медных - 10, 50, 53, 100 Ом.
Основными причинами возникновения погрешностей при измерении температуры терморезисторами являются протекающий по ним измерительный ток, который будет нагревать их согласно закону Джоуля, а также температурное изменение сопротивления проводов, с помощью которых терморезистор включен в измерительную цепь. Для уменьшения погрешности по первой причине ограничивают измерительный ток через терморморезистор, обычно он не превышает 10 - 15 мА. Согласно ГОСТ перегрев медного терморезистора за счет измерительного тока не должен превышать0,4 оС, а платинового - 0,2 оС. Для уменьшения погрешности, вызванной второй причиной, используют медные проводники с очень малым сопротивлением, а также специальные схемы включения терморезисторов, например, трехпроводную мостовую, изображенную на рис. 2.
В этой схеме напряжение питания моста Е подводится к терморезистору по одному проводу, а два измерительных провода оказываются включенными в противоположные плечи моста, благодаря чему влияние их сопротивления на результат измерения компенсируется. Кроме приведенного на рис 2. неуравновешенного моста для измерения температуры с помощью терморезисторов широко используются схемы уравновешенных ручных и автоматических мостов, а также логометрические схемы.
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7
3
Рис. 2.
Чувствительный элемент полупроводникового термопреобразователя- термистора изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и т.п. Размолотый в порошок окисел прессуют в виде столбика, шайбы, шарика или любой другой формы. На этот чувствительный элемент напыляют или напаивают выводы и все это помещают в герметичный защитныйко жух, стеклянный или металлический.
С увеличением температуры сопротивление термисторов падает, а их функцию преобразования, изображенную на рис. 3., обычно аппроксимируют выражением
RT = Ae B / T ,
где RТ - сопротивление термистора при температуре Т в Кельвинах, А и В - коэффициенты, зависящие от материала и технологии изготовления термистора(А к тому же зависит от формы и размеров чувствительного элемента).
Рис. 3.
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7
4
Номинальное сопротивление термисторов при20 оС бывает от 1 до 200 кОм, что значительно больше, чем у терморезисторов. Диапазон температур, при которых могут применяться различные типы термисторов от–100 оС до +600 оС. Чувствительность их превышает чувствительность терморезисторов в6 - 10 раз. Они могут иметь чрезвычайно малую массу и размеры от2,5 мм до 0,006 мм в диаметре. Теплоемкость таких микроминиатюрных термисторов также будет мала, следовательно, очень высоким будет их быстродействие, вплоть до нескольких миллисекунд, что невозможно для обычных металлических терморезисторов, достаточно инерционных. Главными недостатками термисторов являются нелинейный характер функции преобразования, большой разброс параметров и нестабильность характеристик.
При анализе погрешностей и использовании терморезисторов следует учитывать, что между ними и исследуемой средой в процессе измерения происходит теплообмен, который объясняется тремя причинами: теплопроводностью среды, конвекцией в ней и излучением. Интенсивность теплообмена, а, следовательно, и температура терморезистора будет зависеть от многих факторов, в частности, от состава, плотности, вязкости, скорости перемещения, температуры, теплопроводности и других физических свойств газовой или жидкой среды, окружающей терморезистор, от его геометрических размеров и формы, от конструкции защитной арматуры и т.п. Таким образом, зависимость температуры, а следовательно, и сопротивления терморезистора от перечисленных выше факторов может быть -ис пользована для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих твердую, жидкую или газообразную среду. При конструировании преобразователя и выборе режима его работы стремятся к тому, чтобы теплообмен терморезистора со средой в основном определялся измеряемой неэлектрической величиной и по возможности меньше зависел от других факторов.
В основном терморезисторы применяют для измерения температуры. Однако зависимость теплообмена от многих факторов позволяет на основе терморезисторов строить преобразователи различных неэлектрических величин. В этих случаях применяют, как правило, так называемые перегревные терморезисторы, т.е. терморезисторы, предварительно нагретые до определенной температуры протекающим по ним током. Эти терморезисторы помещают в исследуемую среду и в зависимости от ее свойств (химического состава, плотности, скорости перемещения и т.п.) его температура будет изменяться, что и позволяет измерять эти характеристики. Изменение же температуры среды в этих случаях вызывает погрешность и, следовательно, должно быть скомпенсировано различными схемными способами.
3.Используемые приборы и оборудование
1.Термометр сопротивления платиновый (ТСП) с номинальным сопротивлением 46 Ом (фрагмент градуировочной характеристики см. Приложение).
2.Ручной мост постоянного тока типаМО-62 (см. Приложение к лабораторной работе №2).
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7
5
3. Лабораторная установка для исследований и поверки датчиков температуры.
4. Описание лабораторной установки
Схема установки для исследований и поверки датчиков температуры -изо бражена на рис. 4. и включает в себя:
а) малогабаритную лабораторную печь 1, температура в которой обеспечивается двумя электрическими нагревателями (ТЭН1 и ТЭН2);
б) пакетный переключатель 2 со световой сигнализацией, используемый для включения ТЭНов;
в) образцовую термопару 3 и регулятор температуры 4 типа Ш4538, ис-
пользуемые для автоматического регулирования температуры в печи в процессе экспериментов;
г) образцовую термопару 5 и прибор для регистрации значений температуры – микропроцессорный измеритель-регулятор 6 типа ТРМ101 (фирмы ОВЕН);
д) две исследуемые термопары: типа ТХК (“хромель-копель”) 7 и типа ТХА (“хромель-алюмель”) 8, поочередно подключаемые к потенциометру постоянного тока 9 типа ПП-63 тумблером 10;
е) исследуемый термометр сопротивления платиновый(ТСП) 11 с номинальным сопротивлением 46 Ом, подключаемый к ручному мосту постоянного тока 12 типа МО-62.
Рис. 4.
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7
6
Внешний вид лабораторной установки для исследований и поверки датчиков температуры показан на рис. 5.
Для поверки термопар 7, 8 и термосопротивления 11 с помощью регулятора 4 может задаваться требуемая температура в печи от 30 до 200 0С. Переключатель 2 имеет четыре положения и может обеспечивать отключение установки(положение 0), включение только одного микропроцессорного измерителя-регулятора6 типа ТРМ101 фирмы ОВЕН (положение 1), включение одного (положение 2) или обоих (положение 3) ТЭНов. Регистрацию температуры в печи в ходе экспериментов производят с помощью микропроцессорного измерителя-регулятора типа ТРМ101 фирмы ОВЕН 6. Сигнализация подачи питания наТЭНы и микропроцессорный измеритель-регулятор осуществляется лампами 15.
Рис. 5.
Измерение термоЭДС с исследуемых термопар производится ручным потенциометром ПП-63. Его располагают на откидном столе и подключают к клеммам 13, 14 на лицевой панели стенда с учетом полярности. Для измерения сопротивления терморезистора используют мост постоянного тока МО-62, также располагаемый на откидном столе стенда и подключаемый гибкими проводами к клеммам16, 17. Инструкции по эксплуатации ПП-63 и МО-62 приведены в Приложениях к лабораторным работам №1 и №2, соответственно.
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7
7
5.Последовательность выполнения работы
1.При отключенном стенде открыть дверцу печи и ознакомиться с расположением нагревателей и датчиков температуры.
2.Закрыть дверцу печи и установить заграждающий экран.
3.Собрать схему для поверки термометра сопротивления платинового с номинальным сопротивлением 46 Ом. Для чего разместить мост МО-62 на откидном столе и соединить его клеммы П1 и П2 с клеммами 16 и 17 стенда (рис. 5.).
4. Включить мост МО-62 в сеть и настроить его для изме сопротивлений по двухзажимной схеме согласно Приложению к лабораторной работе №2. Уравновесить мост и измерить сопротивление терморезистора при комнатной температуре (20оС).
5. С помощью лимба регулятора4 (рис. 5.) задать нагревание печи до
2000С.
6.Включить пакетный переключатель 2 (рис. 5.) в положение 3 и по сигнальным лампам 15 убедиться во включении ТЭНов и микропроцессорного изме- рителя-регулятора типа ТРМ101 фирмы ОВЕН6. Удостовериться в изменении температуры печи по показаниям микропроцессорного измерителя-регулятора.
7.По мере нагревания печи стараться поддерживать равновесие мостаМО-62
иснимать с него отсчеты через каждые10 оС, начиная с 30 оС и кончая150 оС. Температуру контролирвать по показаниям микропроцессорного измерителярегулятора типа ТРМ101 фирмы ОВЕН6 (рис. 5.). Результаты измерений
заносить в графу Rэксп табл. 1.
Таблица 1.
T, 0С |
20 |
30 |
40 |
50 |
... |
150 |
Rэксп, Ом |
|
|
|
|
|
|
Rград, Ом |
|
|
|
|
|
|
DR, Ом |
|
|
|
|
|
|
DRдоп, Ом |
|
|
|
|
|
|
8.После снятия последнего отсчета(при температуре печи 150 оС) перевести пакетный переключатель 2 в положение 1 и показать результаты преподавателю. Затем открыть дверь печи и дать ей остыть до комнатной температуры.
9.Выключить установку, переведя пакетный переключатель в положение0.
6.Содержание отчета
1.Наименование и цель работы.
2.Схема лабораторной установки для исследований и поверки датчиков температуры (рис. 4.).
3.Таблица с результатами измерений и вычислений при поверке термометра сопротивления (табл. 1.).
4.Номинальная (градуировочная) и экспериментальная статические харак-
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7
8
теристики преобразования термометра сопротивления, построенные в одних осях координат.
5. Выводы о методах и точности измерений температуры с помощью термометров сопротивления, о результатах поверки конкретного терморезистора в ходе лабораторной работы и т.п.
7. Методические указания к оформлению отчета
Абсолютная погрешность преобразования поверяемого термометра сопротивления при каждом значении температуры определяется по формуле
DR= Rэксп - Rград,
где Rград - номинальное значение сопротивления при данной температуре, взятое из градуировочной характеристики (см. Приложение).
Пределы допускаемых значений основной погрешности платиновых термометров сопротивления класса допуска С для каждого поверяемого значения температуры определяются по формуле
DRдоп = D t · (dRt / dt),
где D t - допускаемые отклонения от температурыt, ± оС, рассчитываемые по формуле
D t = 0,60 + 0,008 · t ;
dRt / dt - чувствительность платинового термометра сопротивления, рассчитываемая для температуры t по следующему выражению
dRt / dt = R0 · (a + 2·b·t),
где R0 - номинальное сопротивление терморезистора при температуре0 оС (46 Ом), a = 3,96847 · 10 -3 оС -1, b = -5,847 · 10 -7 оС -2.
Полученные в результате поверки абсолютные погрешности преобразования термометра сопротивления не должны превышать рассчитанных предельно - до пустимых значений погрешностей для соответствующих температур.
8.Контрольные вопросы
1.На каком физическом эффекте основан принцип действия термометров сопротивления?
2.Из каких материалов изготавливаются термометры сопротивления?
3.Что такое термистор?
4.Что представляет собой конструктивно промышленный термометр сопротивления?
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7
9
5.Что такое градуировочные характеристики термометров сопротивления? Каким образом они могут быть заданы?
6.Каковы основные причины возникновения погрешностей при измерении температуры термометрами сопротивления?
7.Каким образом может быть снижена погрешность от перегрева термометра сопротивления?
8.Каким образом может быть скомпенсировано влияние измерительных проводов на результаты измерений с помощью термометров сопротивления?
9.Какие вторичные приборы и преобразователи могут быть использованы в комплекте с термометрами сопротивления?
10.Каким образом устанавливается соответствие термометра сопротивления своему классу точности в ходе поверки?
11.В каких диапазонах температур возможны измерения с помощью термометров сопротивления?
9.Литература
1.Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Уч. для вузов / Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов. – М.: Высшая школа, 2001. – 205 с.
2.Никитин В.А. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Учебное пособие - 2-е изд. перераб. и доп. [Электронный ресурс]/ В.А. Никитин, С.В.
Бойко - Оренбург |
ГОУ |
ОГУ, 2004. - 462 с. – Режим |
доступа: |
http://window.edu.ru/window/library |
|
||
3.Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков. Справочник / Ю. Шульц. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 287 с.
4.Измерения в промышленности: Справочник в 3-х кн. / Под ред. П. Профоса. - М.: Металлургия, 1990.
5.Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.
6.Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.
7.Измерение электрических и неэлектрических величин / Под ред. Н.Н. Евтихиева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.
8.Электрические измерения электрических и неэлектрических величин / Под. ред. Е.С. Полищука. - К.: Вища шк., 1984. - 359 с.
9.Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справочное пособие / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 400 с.
10.Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 464 с.
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7
10
11.Монтаж средств измерений и автоматизации: Справочник / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 498 с.
12.Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений / С.А. Спектор. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 319 с.
13.Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин / Р. Тиль. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 191 с.
14.Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры / Ю.Е. Крамарухин.
– М.: Машиностроение, 1990. – 208 с.
15.Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справочник / Ф. Линевег . - М.: Металлургия, 1980. - 544 с.
16.Температурные измерения: Справочник / Под ред. О.А. Геращенко. - Киев: Наукова думка, 1989. - 704 с.
17.Датчики теплотехнических и механических величин: Справочник / А.Ю.
Кузин [и др.] - М., 1996. - 128 с.
_______________________________
©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 7