Схема включения платинового терморезистора

 

Измерение сопротивления напрямую невозможно, поэтому пользуются косвенным методом: измеряют ток пропорциональный сопротивлению в аналоговых приборах или падение напряжения на терморезисторе в цифровых приборах, рис.2.

Простейшее включениетерморезисторного преобразователя рис.2 а. Терморезистор  через точки А и Б при помощи, как правило медных проводников, обладающих сопротивлением через источник напряжения подключен к измерительному прибору. Учитывая приведенное в 1.2.1.  для меди, получаем, что последовательно с включены два медных проводника, с чувствительностью большей чем у платинового термопреобразователя сопротивления, то есть, имеем в измерительной цепидобавочное сопротивление равное двум сопротивления медных проводников и еще зависящее от температуры, в которой находятся эти проводники.

 

Рис. 2. Включение терморезистивного датчика

Следовательно, схема рис.2. а некорректна, используется редко и лишь в случаях, когда сопротивление соединительных проводов мало и они мало подвержены воздействию окружающей температуры, так что суммарное воздействие от сопротивления проводников и окружающей температуры не превышает номинальную погрешность терморезистора.

Для устранения приведенного выше явления терморезистор включают в качестве одного из резисторов классического мостика Уитстона, рис. 2. б. Мостовая схема позволяет получить дифференциальное выходное изменение тока в измерительном приборе, линейно зависящее от величины разбаланса моста.

Схема включения терморезисторного преобразователя температуры приведенная на рис. 2. б содержит грубую ошибку, в ней присутствуют все выше перечисленные отрицательныефакторы обнаруженные в схеме рис. 2. а и применять её не следует.

Схема включения терморезисторного преобразователя температуры приведенная на рис.2 в лишена рассмотренных выше недостатков, но за все приходится платить. Терморезистор подключен к мостику Уитстона четырьмя проводами – четырехпроводная схема включения. Точки А и Б вынесены на терморезистор, смотри рис.1 выноска 6, концы платиновой проволоки непосредственно распараллелены на соответствующие контакты электрического разъема, схема с вынесенными точками А и Б. При этом результирующий ток протекающий через измерительный прибор остается неизменным, независящим от одинакового изменения сопротивления соединительных проводов. Отличие четырех проводной схемы от схемы б заключается в наличие проводов AC, АD, BE, BF. Эти провода повлияют на баланс моста при равенстве резисторов моста и терморезистора, который устраняется балансировкой моста. Однако при изменении сопротивления проводов изменится ток, протекающий через них, при этом ток через терморезистор останется неизменным, следовательно ток протекающий через измерительное устройство также останется неизменным и его изменение будет происходить только от изменения сопротивления терморезистора, а не от изменения сопротивления присоединительных проводов.

 

Рис. 3.Термодатчики П-98, П-85

Мостовая схема

 

В предыдущем разделе показано устранение влияния окружающей температуры на свойство проводов, при помощи которых терморезистор подключен в измерительную цепь.

Существует у мостовой схемы еще один существенный недостаток, это резисторы моста и соединительные провода – являются источником напряжения, определяемое температурой окружающей среды – тепловой шум (шум Джонсона). Природа теплового шума лежит в структуре материала, из которого изготовлен резистор или проводник, генерация некоторого напряжения на его концах, от температуры в которой последний находится.Реальное напряжение шума в незамкнутой цепи, порожденное сопротивлением R, выражается формулой

 

 

где  – постоянная Больцмана , Т – абсолютная температура в градусах Кельвина, В – полоса частот в Гц.

Например, резистор сопротивлением 10 кОм при комнатной температуре в полосе частот 0¸1 Гц даст напряжение шума порядка 1.2 ¸1.3 мкВ на постоянном токе (расчет).

Амплитуда напряжения теплового шума, вообще говоря, в данный конкретный момент времени непредсказуема, но она подчиняется закону распределения Гаусса. Тепловой шум устанавливает нижнюю границу напряжения шумов для любого источника сигнала, имеющего резистивные элементы цепи сигнала.

Следует отметить, что любой физический аналог сопротивления (любой механизм потерь энергии в физической системе, например, трение газа при его перемещение в трубе – пограничный слой) имеет связанные с ним флуктуации соответствующей физической величины (в приведенной примере – это флуктуации скоростей молекул движущегося газа, проявляющиеся как их хаотическое движение). Шум Джонсона (тепловой шум) – это просто специальный случай такого флуктуационно–диссипативного явления.

В мостовой схеме протекает электрический ток, который представляет собой движение дискретных зарядов, а не плавно непрерывное течение. Конечность (квантованность) заряда приводит к статическим флуктуациям тока – дробовой шум. Если заряды действуют независимо друг от друга, то флуктуационный ток определяется формулой

 

 

где  – заряд электрона 1.6 ×10^-19 Кл, – постоянная составляющая “установившееся значение” тока,  – ширина полосы частот измерения.

Например, “установившийся” ток в 1А фактически имеет флуктуацию со среднеквадратическим значением 57нА в полосе частот 10кГц, т.е. он отклоняется примерно на 0.000006%.Относительная флуктуация больше для меньших токов: “установившийся” ток 1мкА имеет флуктуации “среднеквадратичные” в той же полосе уже 0.006%.

Дробовой и тепловой шумы – это не уменьшаемые виды шума, возникающие в соответствии с законами физики. Реальные устройства, кроме того, имеют различные источники “ избыточных шумов ”. Реальные резисторы подвержены флуктуациям сопротивления, которые порождают дополнительное напряжение шума (которое складывается с постоянно присутствующим напряжением теплового шума), пропорционально протекающему через резистор постоянному току.Этот шум зависит от многих факторов, связанных с конструкцией конкретного резистора, включая резистивный материал и особенно концевые соединения. Этот шум имеет спектр, описываемый зависимостью  (постоянная мощность на декаду частоты) и иногда называется “розовым шумом”. Любопытно, шум вида  встречается в природе в самых неожиданных проявлениях. Общего принципа, объясняющего происхождение шумов со спектром , не найдено.

Рис. 4. Шум 1 Гц