Лабораторна робота №

Тема: Вивчення будови термоелектричних термометрів. Здійснення калібрування і повірки термометрів опору

Мета роботи: Ознайомлення з принципом дії і будовою термометрів опору, а також зі схемою, принципом дії та будовою електронного автоматичного моста та логометра

Прилади і обладнання: термоопір, міст, логометр, магазин опорів, КСМ.

Загальні теоретичні відомості

Вимірювання температури термометрами опору грунтується на зміні електричного опору провідника зі зміною температури. Знаючи залежність опору від температури, можна за його зміною визначити температуру середовища, в якому знаходиться термометр опору.

Відомо, що при збільшенні температури опір деяких чистих металів зростає, а напівпровідників (терморезисторів) знижується. Металічні термомет-ри опору широко використовуються для виміру температур в промислових та лабораторних умовах.

Залежність опору металів від температури в невеликому інтервалі темпе-ратур можна наближено виразити рівнянням:

                            (1)

де: - опір металічного провідника при температурі t ⁰C;

- опір такого ж самого провідника при температурі t^{'  0}С;

- коефіцієнт  температурного опору. Для виготовлення термометрів опору найбільш придатні за своїми фізико-хімічним властивостям платина та мідь. Для платини ; для міді .

 Залежність між опором і температурою для термометрів опору різних типів  дається в градуїровочних таблицях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Рисунок 1 - Залежність відношення R_t /R₀ від температури для деяких  металів

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 2 - Платиновий (а) та мідний (б) термометри опору

 

1 - срібна стрічка; 2 - платиновий дріт; 3 - слюдяна пластинка; 4 - підводячі срібні проводи; 5 - фарфорові буси; 6 – пластмасова голівка; 7 - тонкостінна захисна трубка; 8 - захисний чохол; 9 - мідний дріт; 10-плостмасовий каркас; 11-мідні підводячі проводи.

 

Чутливі елементи термометрів опору являють собою тонкий мідний чи платиновий дріт, намотаний біфілярно на спеціальний слюдяний, фарфоровий або пластмасовий каркас. З метою захисту від зовнішнього впливу чутливі елементи термометрів опору розміщають в металічній трубці з литою голівкою, в якій змонтовані виводи кінців обмотки для їх підключення до з'єднувальних проводів (рисунок 1).

В якості вторинних приладів в комплекті з термометрами опору використо-вуються автоматичні рівноважні мости. Принципова схема рівноважного моста наведена на рисунку 3. Мідний або платиновий термометр опору _, величина електричного опору якого повинна бути змірена, включається в одне з плечей моста за допомогою з`єднувальних проводів, які мають опір . Інші плечі моста являють собою постійні манганінові опори  і  та змінний калібро-вочний опір реохорда , зробленого також з манганіну. До однієї діагоналі моста підведений постійний або змінний струм, в іншу діагональ моста включений нуль-прилад.

При рівновазі моста задовольняється рівність:

звідки

                                    (2)

В цьому випадку різниця потенціалів між точками b і d ( ) cтане рівною нулю, струм не буде протікати через нуль-прилад і його стрілка встановиться на нульовій подільці.

При зміні вимірюваної температури величина електричного опору зміниться і міст розбалансується. Для того щоб відновити рівновагу, необхідно при постійних опорах R₂  і R_л  відповідно змінити величину опору реохорда , перемістивши його движок. Таким чином, якщо відкалібрувати опір , то за положенням його движка при рівновазі моста можна однозначно судити про величину опору , і відповідно про вимірювану температуру.  

Автоматичний електронний рівноважний міст КСМ-4 призначений для безперервного виміру і запису температури при роботі в комплекті з одним із електричних термометрів опору. Прилад КСМ-4, схема якого наведена на рисунку 4, дозволяє визначати температуру середовища за величиною електричного опору термометра опору R_t, який знаходиться у ньому і є одним з плечей мостової схеми. Вимір величини зміни електричного опору за допомо-гою мостової схеми грунтується на порівнянні різниці потенціалів двох проміжних точок в паралельно включених ланцюгах.

Живлення вимірювальної схеми моста здійснюється від однієї з обмоток силового трансформатора змінного струму напругою U_max=6,3 В.

Вимірювальна схема рівноважного моста має чотири плеча, три з яких є постійними опорами R₁ , R₂ і R₃ , а четверте – послідовно з`єднаним змінним опором термометра опору , постійним опором R<sub>4</sub> і загальним опором реохорда  . Останнє складається з паралельно з`єднаних опорів реохорда R_р , шунта реохорда R_ш , призначеного для обмеження протікаючого через реохорд струму, і опору R , призначеного для підгонки опору реохорда до розрахункового значення .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок3 - Принципова схема рівноважного моста

 

Опори вимірювальної схеми R₁ , R₂ , R₃ , R₄ , R_ш , R_u , R_g  являють собою котушки з біфілярною обмоткою з манганіну. Реохорд R_р зроблений у вигляді колібровочного манганінового опору. Точки b і d вимірювальної схеми підключаються до електронного підсилювача ЕП, який є індикатором порушення рівноваги вимірювальної схеми.

Якщо температура середовища, в якому знаходиться термометр опору , не змінюється, мостова схема перебуває в рівновазі, різниця потенціалів в точках b і d дорівнює нулю і напруга небалансу, яка подається на електронний підсилювач ЕП, відсутня. Движок реохорда R_р в цьому випадку нерухомий, а стрілка приладу показує вимірене значення температури, пропорційне опору термометра .

При зміні температури середовища зміниться температура термометра , і відповідно величина його електричного опору. При цьому вимірювальний міст розбалансується, і в діагоналі моста між точками b і d з`явиться напруга небалансу . Остання подається на вхід електронного підсилювача, де підсилюється за напругою і потужностю, потім надходить в реверсивний двигун РД і приводить в рух його ротор. Обертаючись в ту чи іншу сторону, в залежності від знаку небалансу, ротор реверсивного двигуна механічно перемі-щує з ним зв`язані движок реохорда R_р, стрілку і перо вздовж шкали приладу доти, доки вимірювальний міст не прийде в стан рівноваги. Напруга на вході електронного підсилювача ЕП в цьому випадку буде дорівнювати нулю, електродвигун РД зупиниться, а прилад вкаже вимірену температуру.

На точність показань приладу впливає точність підбору опорів проводів R_л, які з’єднують термометр опору з автоматичним рівноважним мостом. Для підгонки опору з’єднувальних проводів до градуїровочного значення R_с=2,5 Ом  існують опори R_у, рівні 2,5 Ом кожне. При градуюванні приладів опір кожного проводу, що відходить від термометра до приладу, приймають 2,5±0,01 Ом. Якщо опір кожного проводу менше 2,5 Ом, то в з’єднувальну лінію послідовно включається додатковий опір, який доповнює опір кожного проводу до 2,5 Ом. У виробничих умовах термометр опору може знаходитись на значній відстані від вторинного приладу.

 

 

 

 

 

   

 

 Рисунок 4 –   Принципова схема автоматичного електронного рівноважного моста КСМ-4

 

R_t – термометр опору; ВМ – вимірювальний міст; ЕП – електронний підсилювач; РД – реверсивний двигун; РП – реєструючий пристрій

 

При коливанні температури приміщення, в якому прокладають з’єднувальні проводи, величина їх опору буде змінюватись. Виходячи з рівняння (1), це приведе до додаткової погрішності в показаннях рівноважного моста. Для практичного усунення цієї погрішності застосовують трьохпровідну схему з’єднування термометра опору з вторинним приладом, яка полягає в тому, що точка а (рисунок 4) переноситься безпосередньо до термометра опору. При такому з’єднанні опір одного проводу R_л додається до плеча вимірювального моста, до складу якого входить термометр опору, а опір іншого проводу R_л додається  до сусіднього плеча моста з постійним опором R₁ .

В середину електронних автоматичних мостів можуть вміщуватись пневма-тичні регулятори з елементів УСЕППА. Пневматичними регулюючими блоками БР-2 комплектуються електронні мости КСМ-ЗП (модифікація 1800). В цьому випадку мости працюють разом з пневматичною панеллю дистанційного управ-ління ПП12.2, яка призначена для перемикання режимів роботи регулятора (ручний-автоматичний) і управління клапаном у режимі ручного управління. Функціональна схема САР температури з електронним показуючим, реєстру-ючим і регулюючим мостом КСМ-3П наведена на рисунку 5.

1а – термометр опору мідний             ТСМ

1б – міст електричний автоматичний      

  з регулюючим блоком пневматичн. КСМ-3П

1в – панель пневматична           ПП12.2

1г – клапан регулюючий  з пневмо-   приводом

 

 

 

 Рисунок 5 - Функціональна схема системи регулювання температури з регулюючим мостом.

 

Логометри – магніто-електричні прилади, рухома система яких складається з двох жорсткоскріплених між собою рамок, розміщених під деяким кутом (в граничному випадку в одній площині).

Кут повороту такої рухомої системи є функцією відношення струмів в обох рамках:

j = f(I₁/I₂)                                 (3)

де і  – струми в рамках.

На рисунку 6 наведена схема логометра. Постійний магніт має полюсні наконечники N i S з циліндричними виточками. Центри виточок полюсних наконечників зміщені відносно центра сердечника. Між полюсними наконеч-никами розміщений циліндричний сердечник з м’якої сталі, навколо якого обертається рухома система з двох рамок  R₁ і R₂. До рамок прикріплена стрілка, яка переміщується вздовж шкали, проградуйованої в градусах. Повітряний зазор між полюсними наконечниками і сердечником нерівномірний. Тому магнітна індукція змінюється (найбільше значення в середені полюсних наконечників, найменше – біля краю), і є функцією кута повороту від середнього положення.

До рамок підводиться струм від загального джерела живлення (суха бата-рея). В рамку R₁ струм надходить через постійний опір R , в рамку R₂ – через опір термометра R_t. Напрямок струмів I₁ і I₂ такий, що обертові моменти рамок  направлені назустріч один одному.

Обертові моменти рамок відповідно рівні:

 M₁=C₁B₁I₁           M₂=C2B2I2                              (4) 

де C₁ і C₂ – постійні величини, які залежать від геометричних розмірів і числа витків рамок;

    B₁  і B₂ – магнітні індукції в зоні розташування рамок.

Якщо опори рамок рівні і R=R_t , то I₁=I₂ і обертові моменти рамок рівні. При цьому рухома система знаходиться в середньому положенні.

При зміні опору термометра внаслідок нагріву (охолодження), струм через одну з рамок зміниться, рівність моментів порушиться і рухома система почне повертатися в сторону дії більшого моменту. При обертанні рухомої системи рамка, через яку тече струм більшої велечини, попадає в зазор з меньшою магнітною індукцією, внаслідок чого діючий на неї момент зменшується. Навпаки, інша рамка входить в зазор з більшою магнітною індукцією і її момент збільшується. Обертання рамок продовжується доти, поки обертові моменти не стануть рівні.

На рисунку 7 наведена принципова електрична схема логометра. Рамки логометра включені послідовно в діагональ моста, складеного з постійних манганінових опорів R₁ , R₂ , R₃ , R₆  і термометра опору R_t.

Середня точка між рамками з’єднана через послідовно включений мідний опір R₅ і манганіновий R₄ з вершиною моста, до якої підведений один провід джерела живлення; другий провід джерела живлення підключений до протилеж-ної вершини. Опір R₄ служить для виміру кута відхилення рухомої системи, а R₅  для температурної компенсації.

Будова логометра аналогічна будові мілівольтметра. Вимірювальна схема живиться постійним струмом від джерела електромережі або сухої батареї.

 

 

 

 

Рисунок 6- Принципова схема логометра

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 - Електрична схема логометра

 Опис лабораторної установки і порядок виконання роботи.