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 4.1 а) 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.
|
|
а | б |
Рисунок 4.1 – Принципиальная электрическая схема уравновешенного моста: а) двухпроводное включение термопреобразователя сопротивления
в цепь моста, б) трёхпроводное включение термопреобразователя сопротивления в цепь моста
При равновесии моста имеет место равенство
R2 (2 Rпр + Rt) = R1RP. (4.1)
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 4.1 б). 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). (4.2)
Из уравнения (4.2) 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 4.2. В межполюсном пространстве постоянного магнита на общей оси (двух кернах) укреплены 2 рамки и , 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.
Рисунок 4.2 – Принципиальная электрическая схема логометра с внешним постоянным магнитом
Рамки логометров включены таким образом, что их вращающие моменты и 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 4.2, ток источника питания в точке а разветвляется и проходит по двум ветвям: через резистор R1, рамку и через термометр Rt, резистор R2 и рамку .
В точке b ветви сходятся, и дальше ток идет до одному проводнику до источника питания. При протекании по рамкам и токов и создаются магнитные поля, в результате взаимодействия которых с полем постоянного магнита возникают вращающие моменты соответственно и , направленные навстречу друг другу. Если R1+Rp=R2+R¢2+Rt, то = и при симметричном расположении рамок относительно полюсных наконечников вращающие моменты будут равны (рамки занимают положение, показанное на рисунке 4.2).
|
|
Если сопротивление термометра сопротивления Rt вследствие нагрева возрастает. По закону Ома ток возрастает, а ток уменьшается. Поэтому вращающий момент рамки будет больше момента рамки. Подвижная система начнет поворачиваться по часовой стрелке, т.е. в направлении момента . При этом рамка с большим вращающим моментом попадет в более слабое магнитное поле и ее момент уменьшится, момент же рамки ,наоборот, будет увеличиваться. При определенном угле поворота моменты сравняются и рамки остановятся. Это произойдет при условии
= (4.3)
или
, (4.4)
где и – магнитная индукция в зонах расположения рамок;
n и – число витков рамок;
и – площадь активной части рамок.
Полагая в уравнении (4.2), что
, (4.5)
получим
, (4.6)
откуда
. (4.7)
Учитывая, что значение отношения является функцией угла поворота подвижной части, уравнение (4.7) может быть представлено в виде
(4.8)
или
. (4.9)
Подставляя в уравнение (4.7) значения
, (4.10)
, (4.11)
получим
. (4.12)
Так как , , и являются постоянными величинами, то
, (4.13)
т.е. угол отклонения подвижной части или указателя логометра являются функцией измеряемого сопротивления термометра.
Основным недостатком рассмотренной дифференциальной логометрической 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.