Лабораторная работа 4 Измерение температуры. Термометр сопротивления

Цели работы: изучение устройства, принципа действия термометров сопротивления, термисторов; ознакомление с методикой определения погрешности измерения температур при помощи термометра сопротивления.

Теоретические сведения

Для измерения температуры в системах автоматического управления, регулирования и контроля используют различные измерительные приборы (датчики измеряемой величины). Реализуется косвенный метод измерения.

Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные.

Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы). Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления (ТС). Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Действие ТС (термопреобразователь сопротивления) основано на температурной зависимости сопротивлений. Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т.п.). Всему комплексу метрологических и эксплуатационных требований удовлетворяет относительно узкая номенклатура материалов, предоставленных разными видами веществ, способных проводить электрический ток: металлами, полупроводниками, электролитами. ТС обладают хорошими термометрическими свойствами. Типичные виды зависимости сопротивления от температуры представлены на рис. 13. Как видно из рисунка, ТКС (температурный коэффициент сопротивления) сравнительно невелик (0,3 - 0,6 %•К^-1) и, как правило, положителен для металлов (кривая 2). Для полупроводников в среднем на порядок больше, чем для металлов, отрицателен для термисторов (кривая 4) и положителен для позисторов (кривая 1). Электролиты (кривая 3) характеризуются ступенчатым переходом сопротивления при температуре начала ионной проводимости.

Рис. 13. Зависимость сопротивления различных ТС от температуры: 1 - позисторы; 2 - металлы; 3 - электролиты; 4 - термисторы	Рис. 14. ТС (а) и схема его включения (б): 1 - головка: 2 - штуцерная гайка; 3 - арматура; 4 - чувствительный элемент.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина. Проводниковые термометры сопротивления изготавливаются из чистых металлов (платина, медь, никель), имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

, (1)

где R₀ - сопротивление при температуре 0 ⁰С; a₀ - температурный коэффициент для интервала температур, начинающихся от t₀.

Минимальная глубина погружения промышленных термометров сопротивления с обмоткой из платиновой, никелевой, медной проволоки в среду, температура которой измеряется, равна 15мм, максимальная - 190 мм.

Инерционность термометров сопротивления зависит от способа установки и материала провода, используемого в качестве обмотки, и достигает 300 - 600 с. тепловая инерционность термометров сопротивления уменьшается посредством металлических вкладышей, устанавливаемых во внутренней полости корпуса.

Медные преобразователи (рис. 15, б) для измерения температуры помещений и газовых потоков имеют каркас, выполненный в виде тонкостенной перфорированной трубки из нержавеющей стали.

Чувствительный элемент медного терморезистора (рис. 15, а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0 - 1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовый шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4.

Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис. 15, б), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.

Обычная медь, поставляемая системой снабжения в виде проволоки и проводов всех требуемых размеров, не дефицитна, дешева, чиста и гомогенна - вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалу чувствительных элементов ТС для измерения умеренных температур.

Существенный практический недостаток меди - при температуре выше 300°С она начинает активно окисляться. Поэтому медь применяется в чувствительных элементах ТС для измерения температур не выше 200°С. Изоляционные покрытия медных проводов - лак или шелк - также не выдерживают влияния высоких температур.

К числу недостатков меди следует отнести и ее малое удельное сопротивление (r = 1,7*10^-8 Ом•м).

а б

Рис. 15. Схема медного терморезистора:

а - чувствительный элемент: 1 - пластмассовый цилиндр; 2 - медная проволока; 3 - выводные провода; 4 - металлическая гильза; б - защитный чехол: 1 - трубка; 2 - клеммная головка; 3 - фланец

 

В диапазоне температур от -50 до 200°С зависимость сопротивления меди от температуры носит линейный характер. Медные ТС применяются для длительного измерения температуры в диапазоне от -200 до 200°С.

Полупроводниковые терморезисторы, называемые термисторами, имеют температурный коэффициент электропроводимости в 6 - 10 раз больший, чем металлические терморезисторы, вследствие чего чувствительность термисторов к изменению температуры значительно выше, чем у терморезисторов.

Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора - термис-тора - изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотое в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается.

Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20°С) от 1 до 200 кОм. В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от - 100 до 120 - 600°С. Термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры, чем металлические.

Основной характеристикой термисторов как датчиков автоматической системы управления является зависимость их сопротивления от температуры:

, (2)

где А - постоянная, зависящая от размеров и формы термистора; В - постоянная, зависящая от физических свойств материала полупроводника; Т - температура термосопротивления в градусах абсолютной шкалы, ^оК; e-основание натурального логарифма.

Температурный коэффициент чувствительности a термистора имеет отрицательное значение и зависит от температуры:

. (3)

 

Величины А и В для параметров определяются опытным путём, так как для одной партии датчиков их значения могут сильно различаться. Для этого экспериментально определяют сопротивления термистора при двух значениях температуры Т₁ и Т₂:

. (4)

Решив эти уравнения относительно коэффициента В, находят его значения:

. (5)

По известному значению В находят величину А:

. (6)

К недостаткам термисторов относятся нелинейность температурной характеристики, недостаточная стабильность характеристик, большой разброс значений сопротивления в одной и той же партии (более 30%) и характер зависимости сопротивления от температуры (отклонения температурного коэффициента достигают ±5% и более), нелинейность вольтамперной характеристики. Это затрудняет получение линейных шкал и не обеспечивает взаимозаменяемости термисторов, используемых в системах автоматического управления производственными процессами. Чтобы получить линейную зависимость сопротивления от температуры, обеспечить взаимозаменяемость в системах автоматики, термисторы включаются в измерительную цепь параллельно с термонезависимыми сопротивлениями Подобные комбинации, используемые для исправления характеристики термистора, называются корректированными термоэлементами.

Погрешности измерения делятся на: абсолютные; относительные; приведенные.

Абсолютная погрешность (обозначается ∆) выражается в единицах измеряемой величины и является отклонением результата измерения Х от истинного значения величины- Х_и

.

Абсолютная погрешность характеризует величину и знак полученной погрешности, но не определяет качество проведенного измерения.

Относительная погрешность (обозначается δ) измеряется в процентах и является отношением абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:

.

Приведенная погрешность (обозначается δ_пр) выражает потенциальную точность измерения и является отношением абсолютной погрешности к некоторому нормируемому значению Х_N (например: сумма конечных значений шкалы):

.

Порядок выполнения

Оборудование и приборы: лабораторная установка; термометр сопротивления; ртутный термометр; вольтамперомметр; нагревательный элемент.

1. Ознакомится с устройством никелевого и медного термометров сопротивления.

2. Определить сопротивление термометра при температуре 20 град.

3. С помощью термостата создать температуру среды 40, 60, 80, 100 град.

4. Измерить вольтамперомметром сопротивление термометра при температурах 20, 40, 60, 80, 100 град. Измерения повторить не менее трёх раз.

5. Построить тарировочную характеристику зависимости сопротивления термосопротивления от температуры среды.

6. Определить сопротивление термометра по расчетным зависимостям.

7. Рассчитать погрешности аналитического и эмпирического способов определения сопротивления термометра.

8. Результаты расчетов занести в таблицу 10. Написать отчет.

Таблица 10

Результаты исследования термометра сопротивления

Параметр	Температура среды, гр.
Измеренное сопротивление термометра, Ом
Вычисленное сопротивление термометра, Ом
Абсолютная погрешность, Ом
Относительная погрешность, %

Содержание отчета:

· название лабораторной pаботы;

· цели;

· результаты обработки косвенных измерений температуры;

· выводы о годности измерительного прибора по результатам определения погрешности и сравнения с классом;

· выводы.

Контрольные вопросы

1. Назначение термисторов.

2. Назначение и устройство термометров сопротивления.

3. Что такое абсолютная и относительная погрешность? Единицы их измерения.

4. Чем объясняется наличие точки перегиба на характеристике корректированного термоэлемента?

5. Какие факторы способствуют уменьшению погрешности и повышению чувствительности термисторов?

6. Назовите основные характеристики термометров сопротивления.