Наиболее распространёнными и освоенными промышленностью в области низких и средних температур являются контактные параметрические методы измерения, использующие терморезисторы и термопары. В этих приборах выходной величиной, определяющей измеряемую температуру среды, являются: электрический ток, сопротивление или ЭДС.
Принцип действия параметрических термометров основан на зависимости электрического сопротивления проводника от температуры окружающей среды. В диапазоне положительных температур T такая зависимость имеет вид
RT = R 0(1 +AT+BT 2). (10.1)
Изготавливают терморезисторы из платины и её сплавов или из меди: платиновые терморезисторы применяют для измерения температур до 1000 °С, медные – до 200 °С, причём для меди зависимость (10.1) ограничивается двумя членами.
Кроме металлов и сплавов используются и полупроводниковые материалы. Приборы из полупроводников, именуемые термисторами, отличаются большой чувствительностью (на порядок выше, чем у металлов), но одновременно обладают плохой воспроизводимостью и нелинейной характеристикой
RT = R 0 exp[α(T – T 0)].
Эта характеристика может быть разбита на несколько участков, для каждого из которых устанавливается свой температурный коэффициент α i. Границы участков являются точками перегиба характеристики и задаются в виде градуировочных точек (начального R 0и конечного Rk значений сопротивления прибора).
Чувствительность преобразователя определяется следующим образом:
S = ∆ R / ∆ T (Ом/ °С),
где ∆ T и ∆ R – изменение температуры и соответствующее ему изменение сопротивления терморезистора. В данной работе при экспериментальном определении чувствительности можно принять ∆ T = 5 °С.
При линейной ГР во всем диапазоне температур чувствительность S постоянна, при нелинейной – является переменной величиной. Чем больше величина S, тем меньшие изменения температуры можно обнаружить при измерении.
Термисторы имеют выраженно нелинейную ГР, но их чувствительность гораздо выше, чем у медных или платиновых терморезисторов.
Для измерения температуры такими преобразователями используются любые электрические цепи, предназначенные для измерения сопротивлений. Наибольшее распространение получили автоматические уравновешивающие мосты и неравновесные мосты с логометрами.
В данной лабораторной работе исследуются характеристики двух терморезисторов: медного Т1 (Rt 1) и алмазного T2 (Rt 2), а также двух полупроводниковых термисторов T3 (Rt 3) и Т5 (Rt 5).
Медный терморезистор Т1 (Rt 1) включён по трёхпроводной схеме в неравновесный мост с логометром. Такая схема включения позволяет практически исключить из результата измерения погрешность, обусловленную изменением сопротивления подводящих проводов под влиянием внешней среды.
Оборудование, используемое при выполнении работы. Схема лабораторного стенда приведена на рис. 10.1:
· Лабораторный стенд в составе:
PV 2 - неравновесный мост с логометром типа Щ69000;
PV 1 - вольтметр М265;
ИВ1 - лабораторная установка, состоящая из встроенного в стенд термоблока с контрольным и исследуемыми термометрами и автономного пульта управления нагревом;
PV 3 - универсальный цифровой прибор В7-16;
SB 1 - переключатель каналов измерения.
· Исследуемые термометры:
T1 (Rt 1) - терморезистор медный ТМ293-01;
Т2 (Rt 2) - терморезистор алмазный ТРА-1;
T3 (Rt 3) - термистор полупроводниковый ТЭ255;
Т5 (Rt 5) - термометр полупроводниковый ТЭ233;
· ГР термистора ТЭ 233 (Rt 5):
○ температурный коэффициент сопротивления α i:
при t = 10…20 °С α = 3,920 ×10-2 1/ °С,
при t = 20…30 °С α = 3,824 ×10-2 1/ °С,
при t = 30…40 °С α = 3,229 ×10-2 1/ °С;
○ градуировочные точки:
температура t гр, °С сопротивление R гр, Ом
10,01 758,0,
20,11 510,0,
29,89 351,0,
40,03 253,0,
49,60 195,0.
· ГР термистора ТЭ255 (Rt 3):
температурный коэффициент сопротивления α = 0,00148 1/ °С;
сопротивление при 0 °С R 0 = 614,47 Ом.
· ГР терморезистора ТРА-1 (Rt 2) неизвестна и подлежит исследованию.
· ГР терморезистора ТМ293 (Rt 1):
температурный коэффициент сопротивления А = 0,004112 1/°С;
сопротивление при 0 °С R 0 = 49,99 Ом.
Методика выполнения эксперимента. Включить питание стенда от сети 220 В и установить питание логометра равным 4 В. Установить переключатель управления термоблоком в положение «Ручн», а переключатель «Режимы» в положение «Охлаждение» и контролировать изменение температуры в термоизолированной камере по показаниям логометра. При достижении температуры t < 0 °С установить переключатель «Режимы» в положение «Откл» и записать показания логометра и прибора В7-16 (в режиме измерения сопротивлений), поочерёдно подключая к нему терморезисторы Т2 (Rt2), Т3 (Rt3) и Т5 (Rt5) с помощью 3-клавишного переключателя на стенде.
Установить переключатель «Режимы» в положение «Нагрев» и, контролируя изменение температуры в термоизолированной камере по показаниям логометра, производить регистрацию показаний прибора В7-16 в точках: 0; +5; +10; +15; +20; +25; +30; +35; +40; +45; +50 ºС.
Результаты измерений свести в таблицу.
| Контрол. точки, °С | Т1(Rt 1) | Т2(Rt 2) | Т3(Rt 3) | Т5(Rt 5) | ||||
| t изм, °С | R изм, Ом | R изм, Ом | t расч, °С | ∆, Ом | R изм, Ом | t расч, °С | ∆, °С | |
| …. …. |
Повторить измерения при охлаждении термоблока – переключатель «Режим» перевести в положение «Охлаждение».
При вычислении абсолютных погрешностей измерения температуры термометрами Т3 и Т5 использовать в качестве действительных значений температуры показания логометра, а расчётные значения получать с помощью функции связи «температура – сопротивление»: t = t 0 + ln(R изм / R 0) / α, где t 0 и R 0 соответствуют нижним точкам перегиба температурной характеристики (градуировочным точкам температурной характеристики). По окончании измерений перевести переключатель «Режим» в положение «Откл».
Лабораторная работа 11
