Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между электрическим сопротивлением термопреобразователя сопротивления и его температурой [т. е. Rt=f(t) – градуировочная характеристика], то, измерив Rt, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен.

Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от минус 260 до плюс 1100 0С. К металлическим проводникам термопреобразователей сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразователей сопротивления. К числу не основных, но желательных требований относятся: линейность функции Rt=f(t), по возможности высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления, большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала.

Применяют медные и платиновые термометры сопротивления. Медь – один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от минус 50 до плюс 200 0С. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры линейна.

Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления и высокое удельное сопротивление. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от минус 260 до плюс 11000С. Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Недостатком платины является нелинейность функции Rt=f(t) и, кроме того, платина – очень дорогой металл.

Принципиальная электрическая схема уравновешенного моста (рисунок 5.1а) состоит из постоянных резисторов R1 и R2, компенсирующего переменного резистора (реохорда) RP, термопреобразователя сопротивления Rt и сопротивления соединительных проводов Rпр. В одну диагональ включен источник постоянного тока Е, в другую – нуль-прибор НП. Измерение Rt производится путем перемещения движка реохорда RP до тех пор, пока стрелка нуль-прибора не установится на нулевой отметке. В этот момент ток в измерительной диагонали cd отсутствует.

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru

а) б)

Рисунок 5.1 – Принципиальная электрическая схема уравновешенного

моста

На рисунке 5.1 представлена принципиальная электрическая схема уравновешенного моста а) двухпроводное включение термопреобразователя со-противления в цепь моста, б) трёхпроводное включение термопреобразователя сопротивления в цепь моста.

При равновесии моста имеет место равенство

R2 (2 Rпр + Rt) = R1RP. (5.1)

Если считать, что температура окружающей среды постоянна, то
2Rпр=const. Тогда каждому значению Rt соответствует определенное значение сопротивления реохорда RP, шкала которого проградуирована либо в омах, либо в градусах Цельсия.

В случаях, когда колебания температуры окружающей среды велики и погрешность за счет изменения RПР будет достигать значительных величин, вместо двухпроводной схемы применяется трехпроводная схема включения термопреобразователя сопротивления (рисунок 5.1б). При таком соединении сопротивление одного провода прибавляется к сопротивлению Rt, а сопротивление второго провода – к переменному сопротивлению RP. Уравнение равновесия моста принимает вид

R2 (Rt + Rnp) = R1 (Rp + Rnp). (5.2)

Из уравнения (5.2) следует, что в трехпроводной схеме сопротивление соединительных проводов не влияет на результаты измерения.

Логометр – прибор магнитоэлектрической системы, используется для измерения температуры в комплекте с термпреобразователями сопротивления. Логометры выпускаются обычно с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. Температурная шкала логометра действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления внешних соединительных проводов.

Измерительный механизм логометра состоит из 2 рамок, расположенных под некоторым углом одна к другой и жестко скрепленных между собой. Рамки помещены в воздушный зазор между полюсами постоянного магнита и сердечником. Воздушный зазор между полюсами постоянного магнита и сердечником сделан неравномерным и поэтому магнитная индукция в зазоре непостоянна.

Принципиальная схема логометра с внешним постоянным магнитом показана на рисунке 5.2. В межполюсном пространстве постоянного магнита на общей оси (двух кернах) укреплены 2 рамки Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru и Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , изготовленные из тонкой изолированной медной проволоки. Эти рамки могут свободно поворачиваться в пределах рабочего угла в воздушном зазоре. Выточки полюсных наконечников выполнены по окружности, но радиус этих выточек смещен по отношению к центру сердечника так, что воздушный зазор убывает от центра полюсных наконечников к их краям, а магнитная индукция возрастает приблизительно по квадратичному закону от центра к краям наконечников.

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru

Рисунок 5.2 – Принципиальная электрическая схема логометра с

внешним постоянным магнитом

Рамки логометров включены таким образом, что их вращающие моменты Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru и Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru направлены навстречу друг другу. Подвод тока к рамкам осуществляется либо с помощью «безмоментных» вводов, сделанных из золотых ленточек, либо посредством маломоментных спиральных волосков, изготовленных из бронзовых сплавов. На приведенной схеме R1 и R2 – добавочные манганиновые резисторы, Rt – сопротивление термометра сопротивления.

Как видно из рисунка 5.2, ток источника питания в точке аразветвляется и проходит по двум ветвям: через резистор R1, рамку Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru и через термометр Rt, резистор R2 и рамку Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru .

В точке b ветви сходятся, и дальше ток идет до одному проводнику до источника питания. При протекании по рамкам Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru и Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru токов Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru и Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru создаются магнитные поля, в результате взаимодействия которых с полем постоянного магнита возникают вращающие моменты соответственно Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru и Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , направленные навстречу друг другу. Если R1+Rp=R2+R¢2+Rt , то Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru = Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru и при симметричном расположении рамок относительно полюсных наконечников вращающие моменты будут равны (рамки занимают положение, показанное на рисунке 5.2).

Если сопротивление термометра сопротивления Rt вследствие нагрева возрастает. По закону Ома ток Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru возрастает, а ток Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru уменьшается. Поэтому вращающий момент Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru рамки Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru будет больше момента Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru рамки. Подвижная система начнет поворачиваться по часовой стрелке, т.е. в направлении момента Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru . При этом рамка Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru с большим вращающим моментом попадет в более слабое магнитное поле и ее момент уменьшится, момент же рамки Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru ,наоборот, будет увеличиваться . При определенном угле поворота моменты сравняются и рамки остановятся. Это произойдет при условии

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru = Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru (5.3)

или

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , (5.4)

где Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ruи Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru – магнитная индукция в зонах расположения рамок;

n и Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru – число витков рамок;

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru и Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru – площадь активной части рамок.

Полагая в уравнении (5.2) , что

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , (5.5)

получим

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , (5.6)

откуда

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru . (5.7)

Учитывая, что значение отношения Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru является функцией угла поворота подвижной части, уравнение (5.7) может быть представлено в виде

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru (5.8)

или

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru . (5.9)

Подставляя в уравнение (5.7) значения

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , (5.10)

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , (5.11)

получим

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru (5.12)

Так как Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru и Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru являются постоянными величинами, то

Основные теоретические положения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве - student2.ru , (5.13)

т.е. угол отклонения подвижной части или указателя логометра являются функцией измеряемого сопротивления термометра.

Основным недостатком рассмотренной дифференциальной лого-метрической схемы является то, что для уменьшения температурной погрешности прибора приходится включать последовательно с рамками манганиновые резисторы с большими сопротивлениями R1 и R2. Вследствие этого логометры с такой измерительной цепью обладают меньшей чувствительностью по сопротивлению по сравнению с приборами с мостовыми логометрическими схемами.

Наши рекомендации