u_lab

61

Контрольные вопросы

1.Какие смесители применяются для приготовления бетонных смесей?

2.Из каких элементов состоит гравитационный смеситель циклического действия? Каков принцип действия гравитационного смесителя?

3.Назовите, из каких элементов состоит смеситель принудительного действия?

4.Какие параметры относятся к основным характеристикам циклических гравитационных смесителей?

5.Из каких этапов состоит рабочий процесс гравитационного смесителя?

6.Как определить мощность и производительность гравитационного смесителя циклического действия?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА, ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ТЕРМОМЕТРА

СОПРОТИВЛЕНИЯ

Цели работы: изучить устройство, принцип действия термометров сопротивления, термисторов; ознакомиться с методикой измерения температуры среды при помощи термометра сопротивления.

Теоретические сведения

Для измерения температуры в системах автоматического управления, регулирования и контроля используют различные измерительные приборы (датчики измеряемой величины).

62

Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы). Термо-

резистором 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.

Действие ТС (термопреобразователь сопротивления) основано на температурной зависимости сопротивлений. Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т.п.). ТС обладают хорошими термометрическими свойствами. Типичные виды зависимости сопротивления от температуры представлены на рис. 1. Как видно из рисунка, ТКС (температурный коэффициент сопротивления) сравнительно невелик (0,3…0,6 %•К-1) и, как правило, положителен для металлов (кривая 2). Для полупроводников в среднем на порядок больше, чем для металлов, отрицателен для термисторов (кривая 4) и положителен для позисторов (кривая 1). Электролиты (кривая 3) характеризуются ступенчатым переходом сопротивления при температуре начала ионной проводимости.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.

Проводниковые термометры сопротивления (см. рис. 2) изготавливаются из чистых металлов (платина, медь, никель), имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления.

Функция преобразования медного терморезистора линейна: R t = R 0 + (t - t0 ) × R 0 ×α0 ,

где R0 – сопротивление при температуре 0 0С; α0 – температурный коэффициент для интервала температур, начинающихся от t0.

Изменение сопротивления чувствительного элемента в виде падения напряжения или тока, передаваемых электрической линией связи,

63

фиксируется показывающим прибором или регулятором. Способ включения ТС определяется схемой вторичного прибора и диапазоном измеряемой температуры.

Минимальная глубина погружения промышленных термометров сопротивления с обмоткой из платиновой, никелевой, медной проволоки в среду, температура которой измеряется, равна 15 мм, максимальная - 190 мм.

Инерционность термометров сопротивления зависит от способа установки и материала провода, используемого в качестве обмотки, и достигает 300…600 с. Тепловая инерционность термометров сопротивления уменьшается посредством металлических вкладышей, устанавливаемых во внутренней полости корпуса.

Медные преобразователи (рис. 3, б) для измерения температуры помещений и газовых потоков имеют каркас, выполненный в виде тонкостенной перфорированной трубки из нержавеющей стали.

64

Чувствительный элемент медного терморезистора (рис. 3, а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0…1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу

4.

Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис. 3, б), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.

Обычная медь, поставляемая системой снабжения в виде проволоки и проводов всех требуемых размеров, не дефицитна, дешева, чиста и гомогенна - вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалу чувствительных элементов ТС для измерения умеренных температур.

а б

Рис. 3. Схема медного терморезистора: а - чувствительный элемент (1 - пластмассовый цилиндр; 2 - медная проволока; 3 - выводные провода; 4 - металлическая гильза); б - защитный чехол: (1 – трубка; 2 - клеммная головка; 3 – фланец)

65

Существенный практический недостаток меди - при температуре выше 300°С она начинает активно окисляться. Поэтому медь применяется в чувствительных элементах ТС для измерения температур не выше 200°С. Изоляционные покрытия медных проводов - лак или шелк - также не выдерживают влияния высоких температур.

К числу недостатков меди следует отнести и ее малое удельное сопротивление (r = 1,7 10-8 Ом•м).

В диапазоне температур от -50 до 200°С зависимость сопротивления меди от температуры носит линейный характер. Медные ТС применяются для длительного измерения температуры в диапазоне от -200 до 200°С.

Основные параметры технических медных и платиновых ТС по ГОСТ 6651-78 приведены в табл. 1.

Полупроводниковые терморезисторы, называемые термисторами, имеют температурный коэффициент электропроводимости в 6 - 10 раз больший, чем металлические терморезисторы, вследствие чего чувствительность

66

термисторов к изменению температуры значительно выше, чем у терморезисторов.

Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора - термистора - изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается.

Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20°С) от 1 до 200 кОм. В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от - 100 до 120…600°С. Термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры, чем металлические.

Основной характеристикой термисторов как датчиков автоматической системы управления является зависимость их сопротивления от температуры (см. выходную характеристику термистора КМТ-4 на рис. 4).

Рис. 4. Выходная характеристика термистора КМТ–4

67

B

R t = A ×eT ,

где А - постоянная, зависящая от размеров и формы термистора; В - постоянная, зависящая от физических свойств материала полупроводника; Т - температура термосопротивления в градусах абсолютной шкалы, оК; e- основание натурального логарифма.

Температурный коэффициент чувствительности α термистора имеет отрицательное значение и зависит от температуры:

α = TB2 .

Величины А и В для параметров определяются опытным путём, так как для одной партии датчиков их значения могут сильно различаться. Для этого экспериментально определяют сопротивления термистора при двух значениях температуры Т1 и Т2:

B B

RT1 = A × eT1 ; RT2 = A × eT2 .

Решив эти уравнения относительно коэффициента В, находят его значение:

B = T1 × T2 × ln RT1 . T2 - T1 RT2

По известному значению В находят величину А:

К недостаткам термисторов относятся нелинейность температурной характеристики, недостаточная стабильность характеристик, большой разброс значений сопротивления в одной и той же партии (более 30%) и характер зависимости сопротивления от температуры (отклонения температурного коэффициента достигают ±5% и более), нелинейность

68

вольтамперной характеристики. Это затрудняет получение линейных шкал и не обеспечивает взаимозаменяемости термисторов, используемых в системах автоматического управления производственными процессами. Чтобы получить линейную зависимость сопротивления от температуры, обеспечить взаимозаменяемость в системах автоматики, термисторы включаются в измерительную цепь параллельно с термонезависимыми сопротивлениями (см. схемы корректировки характеристик термисторов на рис. 5 а, б).

Рис. 5. Схемы корректировки характеристик термисторов:

а - корректировка характеристики по одной точке; б - корректировка характеристики по двум точкам

Подобные комбинации, используемые для исправления характеристики термистора, называются корректированными термоэлементами.

Порядок выполнения

Оборудование и приборы: лабораторная установка; термометр сопротивления; ртутный термометр; вольтамперомметр; нагревательный элемент.

1.Ознакомиться с устройством никелевого и медного термометров сопротивления.

2.Определить сопротивление термометра при температуре 20 о С.

3.С помощью термостата создать температуру среды 40, 60, 80, 100 о С.

4.Измерить вольтамперомметром сопротивление термометра при температурах 20, 40, 60, 80, 100 о С. Измерения повторить не менее трёх раз.

5.Определить средние значения сопротивления термометра при исследованных температурах.

69

6.Построить тарировочную характеристику зависимости сопротивления термосопротивления от температуры среды.

7.Определить сопротивление термометра по расчетным зависимостям.

8.Рассчитать погрешности аналитического и эмпирического способов определения сопротивления термометра. Результаты занести в табл. 2.

Таблица 2

Результаты исследования термометра сопротивления

∙название лабоpатоpной pаботы;

∙цели;

∙основные теоретические сведения по устройству и принципу действия термометров сопротивления;

∙схемы датчиков – термометров сопротивления;

∙таблица с опытными стендовыми испытаниями;

∙таpиpовочная хаpактеpистика датчика;

∙выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы

1.Назначение термисторов. Приведите примеры их использования в подъёмно - транспортных и строительно - дорожных машинах.

2.Что такое корректированный термоэлемент? Какие разновидности его вам известны? Назначение корректированных термоэлементов.

3.Что такое абсолютная, относительная и приведённая погрешность? Единицы их измерения.

70

4.Чем объясняется наличие точки перегиба на характеристике корректированного термоэлемента?

5.Преимущества термисторов перед терморезисторами сопротивления.

6.Какие факторы способствуют уменьшению погрешности и повышению чувствительности термисторов?

7.Назовите основные характеристики термометров сопротивления.