Лабораторная работа № 1. Поверка автоматических уравновешенных мостов

Цель работы

1. Ознакомиться с принципом действия и устройством электрических термометров сопротивления.

2. Ознакомиться с принципом действия и устройством автоматических уравновешенных мостов.

3. Получить практические навыки по поверке автоматических уравновешенных мостов.

Электрические термометры сопротивления.

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Между омическим сопротивлением проводника или полупроводника и его температурой существует однозначная зависимость R_t = f(t). Если эта зависимость априорно известна, то, измерив R_t, можно определить значение температуры среды, в которую погружен термометр сопротивления.

К металлам, из которых изготавливаются электрические термометры сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость термометров [1, 2]. Желательно, чтобы зависимость R_t = f(t) была линейной, температурный коэффициент электрического сопротивления и удельное сопротивление были достаточно большими, стоимость материала невысокая.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют платина, медь, никель и железо.

Промышленностью серийно выпускаются взаимозаменяемые платиновые термометры сопротивления (ТСП) и медные термометры сопротивления (ТСМ).

Платиновые термометры сопротивления используются для измерения температуры от –260 до +750 ^оС.

В диапазоне температур от –200 до 0 ^оС изменение сопротивления выражается уравнением:

R_t = R₀×[1 + a×t + b×t² + c×(t – 100) ×t³], (1.5)

а в диапазоне температур от 0 до +650 ^оС

R_t = R₀×[1 + a×t + b×t²], (1.6)

где R₀ – сопротивление платины при 0 ^оС;

а, b, c – постоянные коэффициенты, определяемые при градуировке термометра по точкам кипения кислорода, воды и серы (а = 3,96847×10^-3 1/^оС; b = –5,847×10^-7 1/^оС; с = –4,22×10^-12 1/^оС).

Условные обозначения градуировки платиновых термометров сопротивления установлены следующие:

гр 20 R₀ = 10 Ом;

гр 21 R₀ = 46 Ом;

гр 22 R₀ = 100 Ом.

Медные термометры сопротивления используются для измерения температуры от –50 до +150 ^оС и имеют линейную зависимость сопротивления от температуры:

R_t = R₀×[1 + a×t], (1.7)

где a = 4,26×10^-3 1/^оС – температурный коэффициент электрического сопротивления.

Выпускаются медные термометры сопротивления с начальным сопротивлением R₀ = 53 Ом (гр 23) и R₀ = 100 Ом (гр 24).

Для изготовления термометров сопротивления используется тонкая платиновая или медная проволока, наматываемая бифилярно на каркас из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Каркас для защиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу, а затем в защитную гильзу из стали или латуни.

Уравновешенные мосты.

Уравновешенные мосты применяются в качестве вторичных приборов, работающих в комплекте с первичными преобразователями – электрическими термометрами сопротивления (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Трехпроводная схема включения термометра

сопротивления в измерительный мост

Мост состоит из двух постоянных резисторов R₁ и R₃ и регулируемого R₂. В плечо bd включено измеряемое сопротивление R_t. На рис. 1.2 изображена так называемая схема подключения термометра, когда сопротивление одного провода R_пр последовательно соединено с регулируемым сопротивлением R₂, а второго – с сопротивлением термометра R_t.

В диагональ питания cd включается источник питания, а в измерительную диагональ ab включается нуль–индикатор.

Мост называется уравновешенным, если в момент измерения ток I₀ в измерительной диагонали равен нулю. В соответствии с первым законом Кирхгофа токи в соответствующих плечах равны: I₁ = I₂ и I₃ = I_t. Тогда согласно второму закону Кирхгофа падение напряжения на сопротивлениях R_t и R₃ одинаково:

R₁×I₁ = R₃×I₃ (1.8)

Падение напряжения на сопротивлениях плеч ad и bd также одинаково:

I₂×(R₂ + R_пр) = I_t×(R_t + R_пр) (1.9)

Разделив равенство (1.8) на равенство (1.9), получим:

(1.10)

С учетом равенства сопротивлений R₁ и R₃ и токов I₁ = I₂, I₃ = I_t имеем:

R_t + R_пр = R₂ + R_пр (1.11)

Для измерения сопротивления термометра R_t необходимо с помощью регулируемого сопротивления R₂ уравновесить мост, установив стрелку нуль индикатора на нулевую отметку. Тогда искомое сопротивление R_t определяется по величине сопротивления R₂. Сопротивление соединительных проводов, которое может изменяться с изменением температуры окружающей среды, не оказывает влияния на результат измерения.

В автоматических уравновешенных мостах подвижный контакт регулируемого сопротивления – реохорда располагают в измерительной диагонали так, что регулируемое сопротивление оказывается размещенным в двух плечах. При этом переходное сопротивление контакта из–за отсутствия тока в момент уравновешивания не сказывается на результатах измерения (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Схема автоматического уравновешенного моста

Регулируемое сопротивление содержит три параллельно соединенных резистора: R_p – собственно реохорд, движок которого перемещается с помощью реверсивного двигателя для установления состояния равновесия; R_ш – шунт реохорда; R_п – резистор для подгонки заданного значения параллельного соединения сопротивления реохордной группы; R₁, R₂, R₃ – резисторы мостовой схемы; R_д – добавочный резистор для подгонки тока; R_б – резистор балластный в цепи питания для ограничения тока; R_t – термометр сопротивления; R_л – резисторы для подгонки сопротивлений соединительной линии.

При изменении температуры в объекте изменяется сопротивление термометра R_t и мост выходит из равновесия. В измерительной диагонали моста появляется напряжение U_ab, которое подается на вход электронного усилителя, являющегося нуль–индикатором. В зависимости от знака небаланса выходной вал реверсивного двигателя переместит движок реохорда до состояния равновесия моста, когда U_ab = 0. Вместе с движком реохорда перемещается стрелка, указывающая значение измеряемой температуры. Шкалы автоматических мостов градуируют в градусах Международной практической шкалы с учетом градуировки термометра сопротивления. Последняя обязательно указывается на шкале прибора.

Выпускаются мосты одноточечные и многоточечные с записью на дисковой или ленточной диаграмме; классы точности автоматических мостов равны 0,25; 0,5 и 1,0. В автоматические мосты встраиваются электрические и пневматические регулирующие устройства и преобразователи [3].

При измерении температуры электрическими термометрами сопротивления основными источниками погрешностей измерения являются :

1. Отклонение градуировочной характеристики термометра сопротивления от стандартной градуировочной таблицы, что неизбежно при изготовлении термометра сопротивления.

2. Изменение сопротивления проводящих проводов с изменением температуры окружающей среды, даже при трехпроводной схеме подключения [2].

3. Основная погрешность и вариация прибора.

4. Отклонение температуры прибора от нормальной.