Теоретические сведения. Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между электрическим сопротивлением термопреобразователя сопротивления и его температурой [т. е. R_t=f(t) – градуировочная характеристика], то, измерив R_t, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен.

Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от минус 260 до плюс 1100 ⁰С. К металлическим проводникам термопреобразователей сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразователей сопротивления. К числу не основных, но желательных требований относятся: линейность функции R_t=f(t), по возможности высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления, большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала.

Применяют медные и платиновые термометры сопротивления. Медь – один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от минус 50 до плюс 200 ⁰С. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры линейна.

Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления и высокое удельное сопротивление. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от минус 260 до плюс 1100⁰С. Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Недостатком платины является нелинейность функции R_t=f(t) и, кроме того, платина – очень дорогой металл.

Принципиальная электрическая схема уравновешенного моста (рисунок 4.1а) состоит из постоянных резисторов R₁ и R₂, компенсирующего переменного резистора (реохорда) R_P, термопреобразователя сопротивления R_t и сопротивления соединительных проводов R_пр. В одну диагональ включен источник постоянного тока Е, в другую – нуль-прибор НП. Измерение R_t производится путем перемещения движка реохорда R_P до тех пор, пока стрелка нуль-прибора не установится на нулевой отметке. В этот момент ток в измерительной диагонали cd отсутствует.

Рисунок 4.1 – Принципиальная электрическая схема уравновешенного моста: а) двухпроводное включение термопреобразователя сопротивления
в цепь моста, б) трёхпроводное включение термопреобразователя сопротивления в цепь моста

При равновесии моста имеет место равенство

R₂ (2 R_пр + R_t) = R₁R_P. (4.1)

Если считать, что температура окружающей среды постоянна, то
2R_пр=const. Тогда каждому значению R_t соответствует определенное значение сопротивления реохорда R_P, шкала которого проградуирована либо в омах, либо в градусах Цельсия.

В случаях, когда колебания температуры окружающей среды велики и погрешность за счет изменения R_ПР будет достигать значительных величин, вместо двухпроводной схемы применяется трехпроводная схема включения термопреобразователя сопротивления (рисунок 4.1б). При таком соединении сопротивление одного провода прибавляется к сопротивлению R_t, а сопротивление второго провода – к переменному сопротивлению R_P. Уравнение равновесия моста принимает вид

R₂ (R_t + R_np) = R₁ (R_p + R_np). (4.2)

Из уравнения (4.2) следует, что в трехпроводной схеме сопротивление соединительных проводов не влияет на результаты измерения.

Логометр – прибор магнитоэлектрической системы, используется для измерения температуры в комплекте с термпреобразователями сопротивления. Логометры выпускаются обычно с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. Температурная шкала логометра действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления внешних соединительных проводов.

Измерительный механизм логометра состоит из 2 рамок, расположенных под некоторым углом одна к другой и жестко скрепленных между собой. Рамки помещены в воздушный зазор между полюсами постоянного магнита и сердечником. Воздушный зазор между полюсами постоянного магнита и сердечником сделан неравномерным и поэтому магнитная индукция в зазоре непостоянна.

Принципиальная схема логометра с внешним постоянным магнитом показана на рисунке 4.2. В межполюсном пространстве постоянного магнита на общей оси (двух кернах) укреплены 2 рамки и , изготовленные из тонкой изолированной медной проволоки. Эти рамки могут свободно поворачиваться в пределах рабочего угла в воздушном зазоре. Выточки полюсных наконечников выполнены по окружности, но радиус этих выточек смещен по отношению к центру сердечника так, что воздушный зазор убывает от центра полюсных наконечников к их краям, а магнитная индукция возрастает приблизительно по квадратичному закону от центра к краям наконечников.

Рисунок 4.2 – Принципиальная электрическая схема логометра с внешним постоянным магнитом

Рамки логометров включены таким образом, что их вращающие моменты и направлены навстречу друг другу. Подвод тока к рамкам осуществляется либо с помощью «безмоментных» вводов, сделанных из золотых ленточек, либо посредством маломоментных спиральных волосков, изготовленных из бронзовых сплавов. На приведенной схеме R₁ и R₂ – добавочные манганиновые резисторы, R_t – сопротивление термометра сопротивления.

Как видно из рисунка 4.2, ток источника питания в точке аразветвляется и проходит по двум ветвям: через резистор R₁, рамку и через термометр R_t, резистор R₂ и рамку .

В точке b ветви сходятся, и дальше ток идет до одному проводнику до источника питания. При протекании по рамкам и токов и создаются магнитные поля, в результате взаимодействия которых с полем постоянного магнита возникают вращающие моменты соответственно и , направленные навстречу друг другу. Если R₁+R_p=R₂+R¢₂+R_t , то = и при симметричном расположении рамок относительно полюсных наконечников вращающие моменты будут равны (рамки занимают положение, показанное на рисунке 4.2).

Если сопротивление термометра сопротивления R_t вследствие нагрева возрастает. По закону Ома ток возрастает, а ток уменьшается. Поэтому вращающий момент рамки будет больше момента рамки. Подвижная система начнет поворачиваться по часовой стрелке, т.е. в направлении момента . При этом рамка с большим вращающим моментом попадет в более слабое магнитное поле и ее момент уменьшится, момент же рамки ,наоборот, будет увеличиваться . При определенном угле поворота моменты сравняются и рамки остановятся. Это произойдет при условии

= (4.3)

или

, (4.4)

где и – магнитная индукция в зонах расположения рамок;

n и – число витков рамок;

и – площадь активной части рамок.

Полагая в уравнении (4.2) , что

, (4.5)

получим

, (4.6)

откуда

. (4.7)

Учитывая, что значение отношения является функцией угла поворота подвижной части, уравнение (4.7) может быть представлено в виде

(4.8)

или

. (4.9)

Подставляя в уравнение (4.7) значения

, (4.10)

, (4.11)

получим

. (4.12)

Так как , , и являются постоянными величинами, то

, (4.13)

т.е. угол отклонения подвижной части или указателя логометра являются функцией измеряемого сопротивления термометра.

Основным недостатком рассмотренной дифференциальной логометрической схемы является то, что для уменьшения температурной погрешности прибора приходится включать последовательно с рамками манганиновые резисторы с большими сопротивлениями R₁ и R₂. Вследствие этого логометры с такой измерительной цепью обладают меньшей чувствительностью по сопротивлению по сравнению с приборами с мостовыми логометрическими схемами.