Резистивный метод (термометры сопротивления, автоматические уравновешенные мосты)

Термоэлектрический метод

На рис. 1 представлены два разных проводника из однородного материала, концы которых соединены и имеют разную температуру.

Рис. 1. Термоэлектрическая цепь из двух различных однородных проводников

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлах свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. На конце с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении, поэтому металл А заряжается положительно, а металл В – отрицательно. В месте соприкосновения проводников возникает электрическое поле, препятствующее диффузии. Когда скорость диффузии электронов становится равной скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов, т.е. термо-ЭДС, зависящая также и от температуры мест соединения проводников 1 и 2.

В простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, возникает четыре ЭДС. Две возникают в местах соединений проводников (они будут различны, так как различны температуры). Кроме того, в каждом однородном проводнике, концы которого имеют разные температуры, появляется разность потенциалов.

Термоэлектрический термометр представляет собой два термоэлектрода 3 (тонкие проволоки диаметром 0,5 или 1,2 мм) из разных металлов, одни концы 1 (рис. 2) которых сварены между собой, а к другим разомкнутым свободным концам 4 подводятся соединительные провода. Для защиты от механических повреждений и вредного воздействия среды, температура которой измеряется, термоэлектроды, армированные изоляцией, помещают в защитную арматуру 2. Термоэлектрический термометр погружают в среду, температуру которой необходимо измерить, на глубину L. Концы 1 называют рабочим концом термоэлектрического термометра (он находится в измеряемой среде), а концы 4 – свободным концом (он находится обычно в помещении цеха, лаборатории).

Рис. 2. Термоэлектрический термометр

По характеру термоэлектродных материалов термоэлектриче­ские термометры подразделяют на две группы: термоэлектрические термометры с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов; термоэлектрические термометры стер­моэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами. Термопары первой группы являются наи­более распространенными, они широко вошли в практику техноло­гического контроля и научно-исследовательских работ.

Термоэлектрические термометры второй группы в настоящее время являются больше объектами опытно-исследовательских ра­бот, чем средством технологического контроля температур. Внедре­нию этих высокотемпературных термоэлектрических термометров в широкую практику препятствуют трудность обеспечения стабиль­ности их термо-э.д.с. во времени и недостаточная взаимозаменяе­мость. В то же время термоэлектрические термометры этой группы представляют большой практический интерес.

В последнее время были созданы термоэлектрические термометры с термоэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами, предназначенные для измерения высоких температур. Однако они ещё не получили распространения для контроля температур технологических процессов в отрасли.

Наименьшую погрешность имеют платинородий-платиновые термометры, обеспечивающие также лучшую воспроизводимость термо-ЭДС. Положительным электродом у них является сплав платины с родием – платинородий, а отрицательным – чистая платина. Платинородий-платиновые термометры используют в качестве эталонных и образцовых.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термоэлектрического термометра.

Для компенсации погрешности, возникающей при отклонении температуры свободных концов термоэлектрического термометра в производственных условиях, применяют метод автоматической компенсации погрешности. В электрическую цепь последовательно с термопарой включают так называемую компенсационную коробку. Она представляет собой неуравновешенный мост, три плеча которого R1, R2, R3 выполнены из манганина, а четвёртое плечо R4 – из меди. От термоэлектрического термометра до компенсационного моста прокладывают термоэлектродные провода, а от моста до измерительного прибора – медные провода. Питание моста осуществляется от источника постоянного тока напряжением 4 В.

Добавочное сопротивление Rд служит для подгонки подаваемого на мост напряжения питания. Сопротивление плеч моста подбирают таким образом, чтобы при градуировочной температуре свободных концов мост находился в равновесии. При этом разность потенциалов в диагонали моста равна нулю. На измерительный прибор поступает только термо-ЭДС, выработанная термоэлектрическим термометром. При отклонении температуры свободных концов от градуировочной изменяется сопротивление R4, равновесие моста нарушается, в диагонали измерения возникает разность потенциалов, равная по величине и противоположная по знаку изменению термо-ЭДС, вызванному отклонением температуры свободных концов от градуировочной температуры. В этом случае к термо-ЭДС, развиваемой термоэлектрическим термометром, добавляется разность потенциалов, возникающая в диагонали измерений. Для измерения термо-ЭДС термоэлектрических термометров, напряжений, а также других величин, связанных с напряжением определенной зависимости широко используется компенсационный метод.

Принцип компенсационного метода основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого ЭДС известным напряжением, полученным от строго определенного тока, называемого обычно рабочим, на сопротивлении с известным значением.

Рассмотрим принципиальную схему, иллюстрирующую компенсационный метод измерения термо-ЭДС, которая показана на рис.3.

Рис. 3. Компенсационный метод измерения термо-ЭДС

Уравновешивающее падение напряжения создается уравновешивающим током I на реохорде (компенсационном резисторе) Rp. При этом сопротивление компенсационной цепи должно быть неизменным, а источник питания должен обеспечивать неизменным, во время измерения, рабочий ток I. Вдоль компенсационного резистора Rp может перемещаться скользящий контакт – движок b, который с помощью провода соединен с одним зажимом переключателя П. К зажиму реохорда Rp присоединен один зажим нулевого прибора НП, второй его зажим присоединен к переключателю П. Таким образом, с помощью переключателя нулевой прибор можно включить в цепь термоэлектрического термометра АВ или нормального элемента НЭ с ЭДС Енэ.

При изменении термо-ЭДС Е(t, t₀) нулевой прибор включают в цепь термометра и перемещают движок b до тех пор, пока указатель нулевого прибора не установится на нулевой отметке шкалы. При выполнении этого условия падение напряжения на части реохорда Rp будет равно измеряемой термо-ЭДС Е(t, t₀). В этом случае имеет место равенство:

,

где - сопротивление участка ab.

Вторичными приборами измерения температуры обычно являются автоматические потенциометры.

В зависимости от способа регулирования компенсирующего напряжения потенциометры делятся на неавтоматические (переносные) и автоматические.

Рассмотрим принцип работы автоматических потенциометров, получивших большое распространение в различных отраслях промышленности, компенсирующее напряжение регулируется не вручную, а автоматически, с помощью реверсивного двигателя. Структурная схема автоматического потенциометра со следящей системой, работающей непрерывно, показана на рис.4.

Если измеряемая термо-ЭДС E(t,t₀) не равна компенсирующему напряжению U_K, то сигнал рассогласования ∆U (в виде напряжения постоянного тока) подается на входное устройство ВУ, представляющее собой преобразовательный элемент, в котором сигнал рассогласования ∆U преобразуется в электрический сигнал переменного тока и подается на вход усилителя.

Усиленный сигнал приводит в действие реверсивный двигатель РД. Выходной вал двигателя вращается в ту или иную сторону, в зависимости от полярности сигнала ∆U, и через систему кинематической передачи перемещает движок R_P реохорда измерительной системы ИС. Изменяя компенсирующее напряжение U_K до тех пор, пока оно не станет равным измеряемой термо-ЭДС E(t,t₀). Одновременно с этим приводится в движение каретка с указателем, перемещающимся относительно шкалы, и пером самописца. В рассмотренной схеме усилитель помимо своих прямых функций (усиление сигнала по ∆U напряжению и мощности) выполняет ещё функцию нуль-прибора.

Шкалы автоматических потенциометров градуированы в градусах Цельсия или в милливольтах. Если шкала прибора градуирована в единицах температуры, на ней указывается тип термоэлектрического термометра. Использование такого прибора с другим термометром недопустимо.

Резистивный метод (термометры сопротивления, автоматические уравновешенные мосты)

Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от –260 до 750 С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000 С.

В качестве материала для изготовления термометров сопротивления используются как чистые металлы, так и ряд полупроводников.

Действие термометров сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры окружающей их среды.

Известно, что температурный коэффициент электрического сопротивления металлов положительный (сопротивление возрастает при повышении температуры), а полупроводников – отрицательный (сопротивление уменьшается при повышении температуры). Это объясняется различием в их молекулярном строении. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов вокруг своих положений равновесия. Число носителей тока – электронов проводимости – очень велико и не зависит от температуры. У полупроводников с увеличением температуры резко возрастает число электронов проводимости (носителей тока), поэтому электрическое сопротивление резко уменьшается.

Измерение температуры с помощью электрических термометров сопротивления сводится к измерению активного сопротивления термометра, что обычно осуществляется измерением тока в цепи. Измерительная схема состоит из трех элементов: термометра сопротивления, электроизмерительного прибора для тока и источника питания.

Рис. 5. Конструкция термометра сопротивления

Металлические термометры сопротивления получившие наибольшее распространение, имеют чувствительный элемент в виде тонкой (диаметром 0,05 мм) проволоки 2, намотанной на слюдяную пластину 1 (или пластмассовый цилиндр) и помещенный в защитный чехол 3 (рис. 5). Проволоку изготовляют в основном из чистых платины или меди. В соответствии с этим различают термометры сопротивления платиновые (ТСП) и термометры сопротивления медные (ТСМ).

У чистых металлов сопротивление больше, чем у сплавов, поэтому для изготовления термометров сопротивления используют чистые металлы.

Для металлических термометров сопротивления ТСП и ТСМ стандартных градуировок стандартизованы градуировочные таблицы, пользуясь которыми можно определить по измеренному значению сопротивления термометра температуру окружающей его среды и, наоборот, определить сопротивление термометра для различных значений температуры.

Металлические термометры сопротивления имеют следующие достоинства: высокую точность измерения, возможность использования в комплекте с ним измерительных приборов со стандартными шкалами, взаимозаменяемость, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору, возможность использования их с информационно вычислительными системами.

Для изготовления чувствительных элементов полупроводниковых термометров сопротивления (терморезисторов) применяют смеси различных полупроводниковых веществ: окислов меди и марганца, окислов кобальта и марганца, двуокиси титана и окисла магния и т.д. для измерения низких температур используется германиевый термометр сопротивления.

Чувствительный элемент терморезисторов изготовляют различной формы. Наиболее распространены формы в виде небольшого цилиндра, стержня, шайбы и бусинки. Для предохранения от возможных механических повреждений и вредного воздействия среды, температура которой измеряется, чувствительный элемент покрывают эмалью, помещают в защитный чехол.

Рис. 6. Конструкция терморезисторов

На рис. 6а представлен полупроводниковый терморезистор, чувствительный элемент которого выполнен в виде небольшого цилиндрического стержня 8, покрытого эмалевой краской и металлической фольгой 3, с контактными колпачками 2, 4 и выводами 1, 5. снаружи терморезистор защищен чехлом 7, в верхней части которого имеется стеклянный изолятор 6.

На рис. 6б показан терморезистор, у которого чувствительный элемент 1 выполнен в виде шарика диаметром 0,5 мм, защищенного стеклянной оболочкой 4. В шарик вмонтированы платиновые электроды 2, соединенные с выводами 3.

Для выпускаемых промышленностью полупроводниковых терморезисторов (ПТР) зависимость их сопротивления от температуры, не превышающей 100 С, определяется по формуле:

,

где R_t - сопротивление термометра при температуре Т, выраженной в кельвинах; А, В и b – постоянные коэффициенты, зависящие от материала термометра и его конструкции.

К достоинствам полупроводниковых термометров сопротивления относятся: большая чувствительность, которая примерно на порядок выше чувствительности металлических термометров сопротивления; малая инерционность, что имеет существенное значение для исследования нестационарных тепловых процессов; большое сопротивление, позволяющее не учитывать при измерении температуры изменение сопротивления соединительных проводов при изменении температуры окружающей среды.

Однако полупроводниковые терморезисторы имеют и ряд существенных недостатков, препятствующих широкому распространению их на производстве. К ним в первую очередь относится большой разброс температурных даже внутри одного и того же типа (значительно отличаются номинальные значения сопротивлений и температурные коэффициенты для термометров одного и того же типа). Это исключает взаимозаменяемость и возможность получения градуировочной таблицы для определенного типа полупроводниковых терморезисторов. Каждый экземпляр терморезистора, предназначенный для измерения и сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально. К другим недостаткам относятся нелинейность зависимости электрического сопротивления от температуры и малая допустимая мощность рассеивания при прохождении измерительного тока.

При измерении температуры в промышленных условиях электрические термометры сопротивления применяют в комплекте с логометрами, автоматическими уравновешенными мостами и автоматическими компенсационными приборами. При этом необходимо иметь в виду, что эти приборы снабжают шкалой, отградуированной в градусах Цельсия, которая действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами высокого класса точности. Они бывают показывающими, показывающими и самопишущими с записью или на дисковой, или на ленточной диаграмме. Приборы с ленточной диаграммой служат для измерения и записи температуры в одной точке (одноточечные) или в нескольких точках (многоточечные). Приборы с дисковой диаграммой изготавливаются только одноточечными. Шкала автоматических уравновешивающих мостов градуирована в градусах Цельсия с указанием её принадлежности к определенной градуировке термометра сопротивления.

По устройству автоматические уравновешенные мосты отличаются от автоматических потенциометров только измерительной схемой. На рис. 8 дана принципиальная схема автоматического уравновешенного моста. В измерительную схему входят: R1, R2 и R3 – резисторы, образующие три плеча мостовой схемы, четвертое плечо образовано сопротивлением R_t термометра; R_p – реохорд; R_ш – шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления R_p до заданного нормированного значения; R_П - резистор для установки диапазона измерения; R_Д – добавочный резистор для подгонки начального значения шкалы; R_б – балластный резистор в цепи питания для ограничения тока; R_П – резисторы для подгонки сопротивления линии до определенного значения. ТO – токоотвод; С1 и С2 – конденсаторы создающие необходимый фазовый сдвиг (90 ) между магнитными потоками обмотки возбуждения и управляющей обмотки и необходимое напряжение на обмотке возбуждения; С3 – конденсатор, включенный параллельно управляющей обмотке реверсивного двигателя, шунтирует её для компенсации индуктивной составляющей тока в этой обмотке; СД – двигатель для перемещения диаграммной ленты или каретки печатающего устройства. Все резисторы изготавливаются из манганиновой проволоки, следовательно, колебания температуры воздуха не влияют на значения сопротивлений этих резисторов. Термометр сопротивления подключен к мосту по техпроводной схеме.

Рис.8. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста

Измерение и запись температуры производятся следующим образом. Изменение сопротивления терморезистора R_t нарушает равновесие мостовой схемы, и в диагонали АВ моста возникает напряжение рассогласования, которое поступает на входной трансформатор, затем усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал двигателя, вращаясь в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала рассогласования, перемещает движок реохорда и перо самописца СП. При достижении равновесия мостовой схемы выходной вал двигателя останавливается, а движок реохорда, указатель и перо самописца занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению термометра, а, следовательно, температуре измеряемого объекта.

Мостовая схема изображенная на рис. 8, будет в состоянии равновесия при условии

(Rt+Rп+Rд+R'р)R2 = (R1+Rп)(R3+ R''р)

где R'р – приведенное сопротивление участка реохорда левее движка А;

R''р – приведенное сопротивление участка реохорда правее движка А.

Отечественная промышленность выпускает следующие основные типы автоматических уравновешенных мостов: показывающие КПМ1 и КВМ1; показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой КСМ1, КСМ2 и КСМ4; показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой КСМ3. эти приборы имеют дополнительные сигнальные и регулирующие устройства и могут быть использованы в системах сигнализации и регулировки температуры.

Рис.9. Принципиальная компен­сационная измерительная схема авто­матического потенциометра.

На рис.9 представлена принципиальная компенсационная измерительная схема автоматического потенциометра, питаемая от стабилизированного источника питания ИПС. В целях упрощения на схеме усилитель показан в виде нулевого индикатора НИ, а R_н.р. представляет собой нормированное сопротивле­ние реохорда:

Нормированное значение сопротивления реохорда R_н.р. для выпускаемых общепромышленных автоматических потенциометров обычно принимается равным 90 ± 0,1 Ом (КСП4) или 100 ± 0,1 Ом (КСП2).

Автоматические мосты и потенциометры являются техническими общепромышленными приборами высокой точности. Допускаемая основная погрешность, выраженная в процентах от нормирующего значения, не превышает ±0.25 или ±0.5.

Шкалы автоматических мостов и потенциометров градуированы в градусах Цельсия или в милливольтах (для потенциометров). Если шкала прибора градуирована в единицах температуры, на ней указывается тип термометра. Использование такого прибора с другим термометром недопустимо.

2. В соответствии с заданным диапазоном температур (-100⁰С… 700⁰С)выбрать наиболее подходящий тип первичного измерительного преобразователя (ПИП) и соответствующую ему схему измерения.

По курсовому заданию задан диапазон измеряемой температуры –100…+700˚С, согласно варианту.

Произведем выбор метода (термометр сопротивления в комплекте с уравновешенным мостом или термоэлектрический преобразователь в комплекте с потенциометром) измерения температуры в указанном диапазоне.

Так как особых требований к точности измерения не предъявлено, выбираем по критериям простоты установки, использования, эксплуатирования, замены. Данному типу ПИП соответствует мостовая схема измерения, используемая в автоматических мостах.

Рассмотрим термосопротивление ТСП (диапазон измерения –100…+700˚С). Термосопротивление ТСМ (медное) рассматривать считаю нецелесообразно, ввиду несоответствия заданному интервалу температур.

Но недостаток данной схемы измерения высокая стоимость, востребованная в основном в лабораторных условия (из-за высокой точности). Поэтому рассмотрим вариант использования термопары с автоматическим потенциометром.

Далее рассмотрим основные применяемые в производстве типы термоэлектрических преобразователей и их основные характеристики. В последнее время наиболее часто используются следующие типы преобразователей: типа ХК и ХА.

Автоматические потенциометры являются техническими общепромышленными приборами высокой точности. Допускаемая основная погрешность, выраженная в процентах от нормирующего значения, не превышает ±0,25 или ±0,5. Их выпускают различных типов, например КСП4, КСП4И, КСУ4 и др. Если шкала прибора градуирована в единицах температуры, на ней указывается тип термоэлектрического термометра. Использование такого прибора с другим термометром недопустимо. В комплекте с автоматическим потенциометром будем использовать ТХА (хромель-алюмель), с классом точности ±0,25 и диапазоном измеряемых температур -100…+1000˚С.

3. Произвести расчёт выбранной схемы измерения, используемой в электронных автоматических мостах или потенциометрах.

В автоматических потенциометрах используется компенсационная мостовая измерительная схема. Напряжение, компенсирующее измеряемую термо-э.д.с. термоэлектрического термометра – термопары, в этой схеме получается как разность потенциалов в двух точках. Потенциал одной из этих точек определяется положением движка реохорда, а потенциал другой зависит от температуры свободных концов термометра. Это дает возможность осуществлять автоматическое введение поправки на изменение термо-э.д.с. термопары, вызванное отклонением температуры свободных концов ее от 0 С.

Типовая принципиальная схема одноточечного автоматического потенциометра приведена на рис. 10.

Рис.10. Типовая принципиальная измерительная схема одноточечного автоматического потенциометра

Исходные данные:

Шкала прибора –100…+700˚С