1.2 Резистивный метод (термометры сопротивления, автоматические уравновешенные мосты)

Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от –260 до 750 С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000 С.

В качестве материала для изготовления термометров сопротивления используются как чистые металлы, так и ряд полупроводников.

Действие термометров сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры окружающей их среды.

Известно, что температурный коэффициент электрического сопротивления металлов положительный (сопротивление возрастает при повышении температуры), а полупроводников – отрицательный (сопротивление уменьшается при повышении температуры). Это объясняется различием в их молекулярном строении. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов вокруг своих положений равновесия. Число носителей тока – электронов проводимости – очень велико и не зависит от температуры. У полупроводников с увеличением  температуры резко возрастает число электронов проводимости (носителей тока), поэтому электрическое сопротивление резко уменьшается.

Измерение температуры с помощью электрических термометров сопротивления сводится к измерению активного сопротивления термометра, что обычно осуществляется измерением тока в цепи. Измерительная схема состоит из трех элементов: термометра сопротивления, электроизмерительного прибора для тока и источника питания.

Рис. 5. Конструкция термометра сопротивления

Металлические термометры сопротивления получившие наибольшее распространение, имеют чувствительный элемент в виде тонкой (диаметром 0,05 мм) проволоки 2, намотанной на слюдяную пластину 1 (или пластмассовый цилиндр) и помещенный в защитный чехол 3 (рис. 5). Проволоку изготовляют в основном из чистых платины или меди. В соответствии с этим различают термометры сопротивления платиновые (ТСП) и термометры сопротивления медные (ТСМ).

У чистых металлов сопротивление больше, чем у сплавов, поэтому для изготовления термометров сопротивления используют чистые металлы.

Для металлических термометров сопротивления ТСП и ТСМ стандартных градуировок стандартизованы градуировочные таблицы, пользуясь которыми можно определить по измеренному значению сопротивления термометра температуру окружающей его среды и, наоборот, определить сопротивление термометра для различных значений температуры.

Металлические термометры сопротивления имеют следующие достоинства: высокую точность измерения, возможность использования в комплекте с ним измерительных приборов со стандартными шкалами, взаимозаменяемость, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору, возможность использования их с информационно вычислительными системами.

Для изготовления чувствительных элементов полупроводниковых термометров сопротивления (терморезисторов) применяют смеси различных полупроводниковых веществ: окислов меди и марганца, окислов кобальта и марганца, двуокиси титана и окисла магния и т.д. для измерения низких температур используется германиевый термометр сопротивления.

Чувствительный элемент терморезисторов изготовляют различной формы. Наиболее распространены формы в виде небольшого цилиндра, стержня, шайбы и бусинки. Для предохранения от возможных механических повреждений и вредного воздействия среды, температура которой измеряется, чувствительный элемент покрывают эмалью, помещают в защитный чехол.

Рис. 6. Конструкция терморезисторов

На рис. 6а представлен полупроводниковый терморезистор, чувствительный элемент которого выполнен в виде небольшого цилиндрического стержня 8, покрытого эмалевой краской и металлической фольгой 3, с контактными колпачками 2, 4 и выводами 1, 5. снаружи терморезистор защищен чехлом 7, в верхней части которого имеется стеклянный изолятор 6.

На рис. 6б показан терморезистор, у которого чувствительный элемент 1 выполнен в виде шарика диаметром 0,5 мм, защищенного стеклянной оболочкой 4. В шарик вмонтированы платиновые электроды 2, соединенные с выводами 3.

Для выпускаемых промышленностью полупроводниковых терморезисторов (ПТР) зависимость их сопротивления от температуры, не превышающей 100 С, определяется по формуле:

,

где R_t - сопротивление термометра при температуре Т, выраженной в кельвинах; А, В и b – постоянные коэффициенты, зависящие от материала термометра и его конструкции.

К достоинствам полупроводниковых термометров сопротивления относятся: большая чувствительность, которая примерно на порядок выше чувствительности металлических термометров сопротивления; малая инерционность, что имеет существенное значение для исследования нестационарных тепловых процессов; большое сопротивление, позволяющее не учитывать при измерении температуры изменение сопротивления соединительных проводов при изменении температуры окружающей среды.

Однако полупроводниковые терморезисторы имеют и ряд существенных недостатков, препятствующих широкому распространению их на производстве. К ним в первую очередь относится большой разброс температурных даже внутри одного и того же типа (значительно отличаются номинальные значения сопротивлений и температурные коэффициенты для термометров одного и того же типа). Это исключает взаимозаменяемость и возможность получения градуировочной таблицы для определенного типа полупроводниковых терморезисторов. Каждый экземпляр терморезистора, предназначенный для измерения и сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально. К другим недостаткам относятся нелинейность зависимости электрического сопротивления от температуры и малая допустимая мощность рассеивания при прохождении измерительного тока.

При измерении температуры в промышленных условиях электрические термометры сопротивления применяют в комплекте с логометрами, автоматическими уравновешенными мостами и автоматическими компенсационными приборами. При этом необходимо иметь в виду, что эти приборы снабжают шкалой, отградуированной в градусах Цельсия, которая действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами высокого класса точности. Они бывают показывающими, показывающими и самопишущими с записью или на дисковой, или на ленточной диаграмме. Приборы с ленточной диаграммой служат для измерения и записи температуры в одной точке (одноточечные) или в нескольких точках (многоточечные). Приборы с дисковой диаграммой изготавливаются только одноточечными. Шкала автоматических уравновешивающих мостов градуирована в градусах Цельсия с указанием её принадлежности к определенной градуировке термометра сопротивления.

П о устройству автоматические уравновешенные мосты отличаются от автоматических потенциометров только измерительной схемой. На рис. 8 дана принципиальная схема автоматического уравновешенного моста. В измерительную схему входят: R1, R2 и R3 – резисторы, образующие три плеча мостовой схемы, четвертое плечо образовано сопротивлением R_t термометра; R_p – реохорд; R_ш – шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления R_p до заданного нормированного значения; R_П - резистор для установки диапазона измерения; R_Д – добавочный резистор для подгонки начального значения шкалы; R_б – балластный резистор в цепи питания для ограничения тока; R_П – резисторы для подгонки сопротивления линии до определенного значения. ТO – токоотвод; С1 и С2 – конденсаторы создающие необходимый фазовый сдвиг (90 ) между магнитными потоками обмотки возбуждения и управляющей обмотки и необходимое напряжение на обмотке возбуждения; С3  –  конденсатор, включенный параллельно управляющей обмотке реверсивного двигателя, шунтирует её для компенсации индуктивной составляющей тока в этой обмотке; СД – двигатель для перемещения диаграммной ленты или каретки печатающего устройства. Все резисторы изготавливаются из манганиновой проволоки, следовательно, колебания температуры воздуха не влияют на значения сопротивлений этих резисторов. Термометр сопротивления подключен к мосту по техпроводной схеме.

Рис.8. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста

Измерение и запись температуры производятся следующим образом. Изменение сопротивления терморезистора R_t нарушает равновесие мостовой схемы, и в диагонали АВ моста возникает напряжение рассогласования, которое поступает на входной трансформатор, затем усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал двигателя, вращаясь в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала рассогласования, перемещает движок реохорда и перо самописца СП. При достижении равновесия мостовой схемы выходной вал двигателя останавливается, а движок реохорда, указатель и перо самописца занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению термометра, а, следовательно, температуре измеряемого объекта.

Мостовая схема изображенная на рис. 8, будет в состоянии равновесия при условии

(Rt+Rп+Rд+R'р)R2 = (R1+Rп)(R3+ R''р)

где R'р – приведенное сопротивление участка реохорда левее движка А;

R''р – приведенное сопротивление участка реохорда правее движка А.

Отечественная промышленность выпускает следующие основные типы автоматических уравновешенных мостов: показывающие КПМ1 и КВМ1; показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой КСМ1, КСМ2 и КСМ4; показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой КСМ3. эти приборы имеют дополнительные сигнальные и регулирующие устройства и могут быть использованы в системах сигнализации и регулировки температуры.

Рис.9. Принципиальная компен­сационная измерительная схема авто­матического потенциометра.

 На рис.9 представлена принципиальная компенсационная измерительная схема автоматического потенциометра, питаемая от стабилизированного источника питания ИПС. В целях упрощения на схеме усилитель показан в виде нулевого индикатора НИ, а R_н.р. представляет собой нормированное сопротивле­ние реохорда:

Нормированное значение сопротивления реохорда R_н.р. для выпускаемых общепромышленных автоматических потенциометров обычно принимается равным 90  0,1 Ом (КСП4) или 100  0,1 Ом (КСП2).

Автоматические мосты и потенциометры являются техническими общепромышленными приборами высокой точности. Допускаемая основная погрешность, выраженная в процентах от нормирующего значения, не превышает ±0.25 или ±0.5.

Шкалы автоматических мостов и потенциометров градуированы в градусах Цельсия или в милливольтах (для потенциометров). Если шкала прибора градуирована в единицах температуры, на ней указывается тип термометра. Использование такого прибора с другим термометром недопустимо.

2. В соответствии с заданным диапазоном температур (-100⁰С… 700⁰С) выбрать наиболее подходящий тип первичного измерительного преобразователя (ПИП) и соответствующую ему схему измерения.

По курсовому заданию задан диапазон измеряемой температуры –100…+700˚С, согласно варианту.

Произведем выбор метода (термометр сопротивления в комплекте с уравновешенным мостом или термоэлектрический преобразователь в комплекте с потенциометром) измерения температуры в указанном диапазоне.

Так как особых требований к точности измерения не предъявлено, выбираем по критериям простоты установки, использования, эксплуатирования, замены. Данному типу ПИП соответствует мостовая схема измерения, используемая в автоматических мостах.

Рассмотрим термосопротивление ТСП (диапазон измерения –100…+700˚С). Термосопротивление ТСМ (медное) рассматривать считаю нецелесообразно, ввиду несоответствия заданному интервалу температур.

Но недостаток данной схемы измерения высокая стоимость, востребованная в основном в лабораторных условия (из-за высокой точности). Поэтому рассмотрим вариант использования термопары с автоматическим потенциометром.

Далее рассмотрим основные применяемые в производстве типы термоэлектрических преобразователей и их основные характеристики. В последнее время наиболее часто используются следующие типы преобразователей: типа ХК и ХА.

Автоматические потенциометры являются техническими общепромышленными приборами высокой точности. Допускаемая основная погрешность, выраженная в процентах от нормирующего значения, не превышает ±0,25 или ±0,5. Их выпускают различных типов, например КСП4, КСП4И, КСУ4 и др. Если шкала прибора градуирована в единицах температуры, на ней указывается тип термоэлектрического термометра. Использование такого прибора с другим термометром недопустимо. В комплекте с автоматическим потенциометром будем использовать ТХА (хромель-алюмель), с классом точности ±0,25 и диапазоном измеряемых температур -100…+1000˚С.