Электрические термометры сопротивления (рис. 5) применяются для измерения температур в диапазоне от −200 до +700°С.
Рис. 5 — Общий вид электрического термометра сопротивления
В комплект электрического термометра входят чувствительный элемент, измерительный прибор и соединительные провода. В качестве чувствительного элемента в термометре сопротивления применяется металлическая проволока (Сu, Pt), намотанная на изоляционный каркас и заключенная в защитный кожух (рис.6).
| а) | б) |
Рис. 6 — Платиновый термометр сопротивления. а) с подвижным штуцером; б) чувствительный элемент.
Чувствительными элементами полупроводниковых термометров сопротивления (термисторов) являются смеси окислов меди, марганца, магния, никеля, кобальта и др. Смеси двух-трех окислов со связывающими добавками измельчают, спекают и обжигают, придавая им форму небольших цилиндриков, шайбочек или бусинок (рис.7).
Рис. 7 — Конструктивные формы полупроводниковых термометров сопротивления. а) трубчатая; б) дисковая; в) цилиндрическая.
В торцы чувствительных элементов вжигают контакты. При увеличении температуры термометра его сопротивление резко уменьшается согласно зависимости:
Rt = R * 
(2)
R — значение сопротивления при 293 К;
T — температура, К;
B — постоянная, зависящая от свойств полупроводникового материала.
Серийно выпускаемые в нашей стране термометры сопротивления приведены в таблице 2.
Таблица 2 — Серийно выпускаемые термометры сопротивления
| Тип | Номинальное сопротивление при 0°С, Ом | Новая градуировка | Старая градуировка |
| ТСП платина | 1 | 1П | |
| 5 | 5П | ||
| 10 | 10П | гр. 20 | |
| 50 | 50П | гр. 21 (46 Ом) | |
| 100 | 100П | гр. 22 | |
| ТСМ медные | 10 | 10М | |
| 50 | 50М | гр. 23 (53 Ома) | |
| 100 | 100М | гр. 24 |
В качестве вторичных приборов с термометрами сопротивления применяются обычно автоматические электронные равновесные мосты, реже логометры неравновесные мосты и тестеры.
Стартовое положение
Стартовое положение прибора в данной лабораторной работе представлено на рисунке 8.
Рис. 8 — Внешний вид электрического термометра сопротивления в лаборатории.
Порядок действий
1. Установите температуру нагрева печи 70°С с помощью регулятора.
2. Включите прибор с помощью тумблера. И дождитесь нагрева печи до указанной температуры.
3. Возьмите блокнот, нажав на него.
4. Вставьте термометр в печь. В процессе нагрева термометра, показания прибора будут меняться и автоматически фиксироваться в блокноте.
5. Результаты измерений занесите в отчет.
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующее:
1. Краткое описание и принцип действия электрического термометра сопротивления.
2. Порядок измерений.
3. Протокол поверки, согласно таблице 2.
4. График нагрева термометра во времени.
5. Вывод о погрешности измерения термометра при 70ºС. Основную приведенную погрешность g определяют по формуле:
g = (Tз − TИ)*100 / Tз, (3)
Tз — заданное значение температуры, ºС;
TИ — измеренное значение температуры, ºС.
Таблица 3 — Протокол поверки термометра в пределах 70ºС
| № измерения | Время t, сек | Температуа Т, ºС |
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 | ||
| 5 | ||
| 6 | ||
| 7 | ||
| 8 | ||
| 9 | ||
| 10 | ||
| 11 | ||
| 12 | ||
| 13 | ||
| 14 | ||
| 15 | ||
| 16 | ||
| 17 | ||
| 18 | ||
| 19 | ||
| 20 | ||
| 21 |
Контрольные вопросы
1. Материал для изготовления термометров сопротивления и требования к ним.
2. Типы стандартных термометров сопротивления.
Лабораторная работа № 3
«Поверка электронного автоматического потенциометра»
Цель лабораторной работы
Изучение принципа действия и устройства электронного автоматического потенциометра.
Теоретические основы
В основу метода, измерения температуры с помощью термопар положен термоэлектрический эффект: в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения имеют разную температуру.
Цепь, состоящая из двух разнородных проводников, называется термопарой, проводники А и В, образующие термопару, — термоэлектродами (Рис. 9). Спай термопары, помещенный в объекте измерения и имеющий температуру t, называется рабочим или горячим.
Рис. 9 — Термопара
Спай, имеющий температуру t0, называется свободным или холодным. Суммарную ТЭДС этой замкнутой цепи получим, обходя цепь против часовой стрелки:
EAB (t, t0) = eAB (t) + eBA (t0) (4)
где eAB(t) и eBA(t0) — контактная ЭДС, возникающая в местах соединения и обусловленная разностью температур концов термоэлектродов А и В.
При t = t0
EAB (t0, t0) = eAB (t0) + eBA (t0) = 0 (5)
Откуда
eBA (t0) = − eAB (t0) (6)
Подставив (6) в (4), получим
EAB (t0, t0) = eAB (t) − eAB (t0) = 0 (7)
Таким образом, ТЭДС термопары зависит от двух переменных t и t0. Но если поддерживать температуру одного из спаев постоянной, например t = const, то функция упростится, и уравнение перепишется таким образом
EAB (t0, t0) = f (t) (8)
Эта зависимость определяется опытным путем (т. е. градуировка термопары), а выражать ее можно градуировочной кривой, являющейся статической характеристикой термопары (Рис. 10) и таблицами.
Рис.10 — Графическое определение поправки на температуру
свободных концов
Рис. 11 — Общий вид термоэлектрического термометра
Поправка на температуру свободных концов термопары
Выше было установлено (уравнение 8), что ТЭДС термопары является функцией температуры рабочего спая только в том случае, если температура свободных концов постоянна. Градуировка, термопары производится чаще всего при температуре свободных концов t0, равной 0°С (реже при + 20°С). В процессе измерения температура t0 может быть отличной от градуировочной, поэтому возникает необходимость внесения поправки, иначе получаемые значения ТЭДС будут либо завышены, либо занижены. Это отклонение ТЭДС выражается уравнением:
EAB (t, t0) = EAB (t, t0’) +/− EAB (t0’, t0), (9)
где EAB (t, t0) — значение ТЭДС термопары при температуре свободных концов t0, равной градуировочному значению;
EAB (t, t0’) — значение ТЭДС термопары при действительной температуре свободных концов t0;
EAB (t0’, t0) — поправка, которая должна, быть внесена в показания прибора при t’≠ t0.
Если t0’ < t0, то значения ТЭДС термопары завышены по сравнению с табличными данными, и поправка берется со знаком "минус". Если t0’ > t0, то значения ТЭДС занижены, и поправка берется со знаком "плюс".
Как видно, поправка представляет собой ТЭДС термопары, которую она развивает при температуре горячего спая t0’ и при температуре свободных концов t0. Определить величину поправки, а также искомую температуру t можно по градуировочной кривой термопары, если известна действительная температура свободных концов t0’. Это производится следующим образом (рис. 10):
а) По графику находят величину поправки EAB (t0’, t0), взят случай t0’ > t0.
б) Измеряют прибором значение ТЭДС термопары при действительной температуре свободных концов t0 − E(t, t0’).
в) Зная суммарную ТЭДС EAB (t, t0’) + EAB (t0’, t0), по графику определяют искомую температуру рабочего спая t.
Промышленные термопары
Любая пара проводников образует термопару, но не каждая пригодна для практического применения. Одним из основных требований, предъявляемых к термопарам, является то, что ЭДС, которую они развивают должна быть достаточной для измерения и однозначно меняться от температуры. Чтобы облегчить подбор материалов для термоэлектродов, необходимо определить их термоэлектрические свойства по отношению к одному — нормальному термоэлектроду. В качестве материала для нормального термоэлектрода, принята чистая платина. Все материалы по своим термоэлектрическим свойствам можно разделить на положительные, у которых в паре с платиной ток в горячем спае течет от платины к этому материалу, и отрицательные, у которых ток течет вы обратном направлении.
В настоящее время ГОСТом допускается применение ограниченного числа типов термопар. В табл. 1 приведены данные о наиболее распространенных промышленных термопарах. В приложении даны градуировочные таблицы двух типов термопар. Табличные значения ТЭДС и градуировка шкалы рассчитаны на. температуру свободных концов термопары (табл. 4).
Таблица 4 — Промышленные термопары
| Название термопары | Обозначение | Пределы измерения, °С | ||
| Термопара | Градуировка | Длительно | Кратковрем. | |
| Платинородий-платина | ТПП | ПП | -20 – 1300 | 1600 |
| Хромель-алюмель | ТХА | ХА | -50 – 1100 | 1300 |
| Хромель-копель | ТХК | ХК | -50 – 600 | 800 |
Для изготовления термопар чаще всего применяют электроды в виде проволок диаметром 0,5–5,2 мм. Термоэлектроды соприкасаются друг с другом только в рабочем спае, по всей остальной длине они электрически изолированы фарфоровыми трубками. Горячий спай термопар не изолируют. Его получают сваркой или пайкой. Для зашиты термопар от воздействия измеряемой среды изолированные термоэлектроды помешают в защитный чехол из материалов, выдерживающих высокие температуры в давлении измеряемой среды. Защитные чехлы для темопар могут иметь различную форму в зависимости от объекта и рабочих условий. Для термопар, работающих при температурах до 1000 °С, применяют металлические защитные чехлы, а при температурах свыше 1000°С — фарфоровые чехлы. На защитном чехле имеется головка с контактной панелью для подключения соединительных проводов. Схема конструкции термоэлектрического термометра показана, на рис. 2.4, а общий вид термометра — на рис. 2.3.
Рис. 12 — Схема конструкции термоэлектрического термометра: 1 — термоэлектроды, 2 — изоляционные трубки, 3 — защитный чехол, 4 — соединительный винт, 5 — головка термометра, 6 — термоэлектродные соединительные провода, 7 — свободные концы.
Рис. 13 — Схема внесения поправки на температуру свободных концов
Как видно из рис. 12 свободные концы термопары располагаются в головке термоэлектрического термометра. Учитывать температуру свободных концов здесь трудно, кроме того, эта температура может значительно меняться. Поэтому есть смысл перенести свободные концы в место, где учет их температуры упрощен.
Перенос их осуществляется с помощью термоэлектродных соединительных проводов С и Д (13), которые должны в паре между собой при температурах t0’ и t0 развивать такую же ЭДС, как и термоэлектроды термопары А и В при тех температурах. Соединительные провода можно изготовлять из тех же материалов, что и термоэлектоды термопары. В этом случае они являются простым продолжением ее. Если термоэлектроды сделаны из дорогих материалов, то соединительные провода выполняются из других, более дешевых материалов. Так, например, для платинородий-платиновой термопары соединительные провода делаются из меди и медноникелевого сплава, для хромель-алюмелевой термопары — из меди и константана. Для хромель-копелевой термопары провода изготовляются из этих же, не менее качественных сплавов, имеющих сходную характеристическую кривую. С измерительным прибором термопара соединена медными проводами F.
Перенос свободных концов термопары, как было указано, позволяет учесть их температуру и, следовательно, внести соответствующую поправку. Одним из способов внесения поправки является следующий: измерив температуру в зоне свободных концов, устанавливают с помощью корректора стрелку отключенного прибора на отметку шкалы, соответствующую этой температуре. Если при дальнейшей эксплуатации температура свободных концов изменится существенно, эту поправку можно таким же образом изменить.
В промышленных условиях применяют компенсирующее устройство, которым поправка на температуру свободных концов вносится автоматически. Термопара включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого R1, R2, RЗ выполнены из манганина, а R4 — из меди. Питание схемы осуществляется через выпрямитель.
Сопротивление Rд служит для подгонки напряжения, подаваемого на мост, при работе с термопарами различных градуировок. Мост настраивается таким образом, что при градуировочной температуре свободных концов, которые находятся рядом с сопротивлением R4, мост находится в равновесии. Разность потенциалов точек А и В при этом равна 0. С изменением температуры свободных концов меняется R4, равновесие моста нарушается, между точками А и В возникает разность потенциалов. Сопротивление R4 рассчитывается таким образом, чтобы изменение разности потенциалов на вершинах моста всегда было равно и противоположно направлено изменению ТЭДС термопары при изменении температуры свободных концов.
Стартовое положение
Стартовое положение прибора в данной лабораторной работе представлено на рисунке 14.
Рис. 14 — Внешний вид электронного потенциометра
Порядок действий
1. Выберите тип преобразователя переключателями на верхней части прибора (Хром-Никель). Выставьте вид измерения «Точно».
2. Включите прибор с помощью тумблера.
3. Выставьте исследуемое напряжение с помощью регуляторов (10mV). При этом, стрелка потенциометра отклонится влево или вправо.
4. Возьмите блокнот и зафиксируйте исследуемое напряжение, нажав на карандаш.
5. С помощью регуляторов установите стрелку потенциометра на нулевую отметку. Зафиксируйте действительное напряжение при прямом ходе, нажав на карандаш в блокноте.
6. Снова установите исследуемое напряжение с помощью регуляторов и зафиксируйте выбор, нажав на карандаш в блокноте.
7. С помощью регуляторов установите стрелку потенциометра на нулевую отметку. Зафиксируйте действительно напряжение при обратном ходе, нажав на карандаш в блокноте.
8. Повторите эксперимент для нескольких значений напряжений. Результаты измерений занесите в отчет.
Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы в режиме «Хром-Никель»:
1 группа — 14 mV; 28 mV; 35 mV; 49 mV.
2 группа — 15 mV; 23 mV; 33 mV; 45 mV.
3 группа — 11 mV; 24 mV; 31 mV; 42 mV.
4 группа — 17 mV; 22 mV; 30 mV; 47 mV.
5 группа — 12 mV; 21 mV; 32 mV; 40 mV.
9. После завершения измерений на платиновом преобразователе выключите прибор с помощью тумблера.
10. Выберите тип преобразователя переключателями на верхней части прибора (Хром-Алюминий).
11. Включите прибор с помощью тумблера и повторите действия с п.3 по п.8. Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы в режиме «Хром-Алюминий»
1 группа — 55 mV; 65 mV; 73 mV; 90 mV.
2 группа — 57 mV; 67 mV; 75 mV; 92 mV.
3 группа — 50 mV; 61 mV; 70 mV; 83 mV.
4 группа — 59 mV; 68 mV; 77 mV; 95 mV.
5 группа — 52 mV; 63 mV; 71 mV; 85 mV.
15. После завершения измерений на медном преобразователе выключите прибор с помощью тумблера.
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующее:
1. Краткое описание и принцип действия потенциометра.
2. Порядок измерений в одном из режимов.
3. Протокол поверки шкалы прибора в пределах 0–100ºС, согласно таблице 5.
Основную приведенную погрешность g определяют по формуле:
g = (Et − EИ)*100 / Et, (10)
Таблица 5 — Протокол поверки шкалы прибора в пределах 0–100ºС
| Проверяемое значение измеряемой величины, T, °C | Расчетное значение E, mV | Действительное значение входного сигнала, E, mV | Погрешность поверяемого прибора в процентах нормирующего значения или в единицах измерения, % | Допустимое значение основной приведенной погрешности, % | Вывод | ||||
| При прямом ходе | При обратном ходе | Прямой ход | Обратный ход | ||||||
| g | g | ||||||||
| Хром-Никель | |||||||||
| 1. | 15 | ||||||||
| 2. | 15 | ||||||||
| 3. | 15 | ||||||||
| 4. | 15 | ||||||||
| 5. | 15 | ||||||||
| Хром-Алюминий | |||||||||
| 1. | 15 | ||||||||
| 2. | 15 | ||||||||
| 3. | 15 | ||||||||
| 4. | 15 | ||||||||
| 5. | 15 | ||||||||
Контрольные вопросы
1. Конструкция термоэлектрического термометра.
2. Материалы для термопар, требования к ним.
3. Типы стандартных термопар.
Лабораторная работа № 4
«Снятие кривой переходного процесса термопары»
Цель лабораторной работы
Снять кривую переходного процесса термопары.
