Термометрія за допомогою терморезистивних перетворювачів

 

Температурою називають фізичну величину, яка характеризує ступінь нагрітості тіла.

Практично всі технологічні процеси і ряд властивостей тіл залежать від температури. Вимірювати температуру можна лише непрямим шляхом, грунтуючись на залежності від температури таких фізичних властивостей тіл, які можливо безпосередньо виміряти. Ці властивості тіл називаються термометричними. До них відносяться: довжина, об’єм, термо-ЕРС, електричний опір тощо. В свою чергу речовини, які характеризуються термометричними властивостями, називаються також термометричними. Технічні засоби для вимірювання температури мають назву термометри.

Для створення термометра, необхідно мати температурну шкалу. Найбільш розповсюдженими шкалами є шкали Фаренгейта, Ремюра, Цельсія і Кельвіна.

Результати вимірювання температури за цими шкалами записуються як: ; ; ;

Для перерахунку з однієї шкали в іншу використовують наступні співвідношення:

Межі вимірювання температур, найбільш уживаними типами термометрів, наступні.

Термоелектричні термометри: від  до .

Терморезистивні термометри:

- на основі металевих терморезистивних перетворювачів від  до ;

- на основі напівпровідникових терморезистивних перетворю-вачів від  до .

Манометричні термометри (газові і рідинні) від  до .

Вимірювальні кола з терморезистивними перетворювачами температури.

Найбільш розповсюдженими для промислового вимірювання температури в межах від  до  є платинові терморезистивні перетворювачі температури, так звані термометри опору (ТО).

Позитивною стороною їх є висока точність і часова стабільність, недоліком – нелінійність функції перетворення, особливо в діапазоні низьких температур (від  до ), в якому суттєво падає чутливість.

При високих температурах (понад ) на стабільність ТО впливає випаровування платини, що обмежує їх застосування.

ТО з міді, нікелю та інших металів мають меншу часову стабільність, що зумовлює їх нижчий клас точності.

При вимірюванні низьких і середніх температур використовуються ТО з високим номінальним опором (від 100 до 500 Ом), а при вимірюванні високих температур – низькоомні ТО з номінальним опором від 10 до 1 Ом.

Увімкнення ТО у вимірювальне коло з допомогою з’єднувальних провідників   (рис. 2.1) впливає на точність вимірювання. Існують дво-, три- та чотирипровідні схеми увімкнення ТО у вимірювальне коло.

Для зменшення похибок, що з’являються через невідповідність опору  з’єднувальних провідників їхньому градуювальному значенню, використовують термоперетворювачі з трьома і чотирма відводами і відповідне їх увімкнення у мостове або компенсаційне коло. Потрібно також враховувати можливість додаткових похибок, які виникають від нагрівання ТО вимірювальним струмом. Для цього необхідно, щоб вимірювальний струм був таким, щоб викликана ним зміна опору не перевищувала 0,1%.

В практиці технологічних вимірювань температури з використанням терморезистивних перетворювачів, широкого застосування набули , зокрема, мостові кола (зрівноважені і незрівноважені мости).

Зрівноважені мости поділяються на не автоматичні та автоматичні. В них використовується нульовий метод вимірювання.

З допомогою не автоматичних мостів вимірюють опори терморезисторів в межах від 0,5 до  Ом, зокрема проводять градуювання термоперетворювачів опору і вимірюють температуру.

Двопровідну схему зрівноваженого не автоматичного мосту наведено на рис.2.1.

 

 

Рис. 2.1. Двопровідна схема зрівноваженого не автоматичного мосту:

 і  - постійні резистори;  - змінний резистор;  - вимірювальний опір;  - опір з’єднувальних провідників

 

В діагональ живлення  мосту увімкнено джерело струму, а у вимірювальну діагональ  відповідно нуль-індикатор (НІ), зокрема нуль-гальванометр. Між точками підключення, різнойменних діагоналей знаходяться плечі моста, які складаються з постійних резисторів  і  та змінного резистора , а в плече  увімкнено вимірювальний опір  і два з’єднувальних провідника опором .

Якщо міст зрівноважений то струм  в діагоналі  дорівнює нулю, а струм  та . Як наслідок, маємо, що  і . Розділивши два останніх рівняння одне на друге з урахуванням рівності відповідних струмів маємо:

,                    (2.1)

Звідки  дорівнюватиме

.                           (2.2)

З (2.2) випливає, що  можна знайти за значенням  при постійному співвідношенні опорів плечей  та при незмінному значенні .

В той же час  змінюється зі зміною температури зовнішнього середовища, що призводить до зменшення точності результату вимірювань  тим більше, чим менше значення .

Цей недолік може бути усунено шляхом трипровідного з’єднання терморезистивного перетворювача з мостом (рис. 2.2).

 

 

Рис. 2.2. Трипровідна схема з’єднання терморезистивного перетворювача з не автоматичним мостом

 

При такому з’єднанні, діагональ живлення мосту доводиться (точка ) до терморезистивного перетворювача. В результаті цього з’єднувальні провідники виявляються в двох різних плечах мосту. Один із опорів  - в плечі мосту разом з опором , а другий  - в плечі разом з .

Тоді умова рівноваги мосту запишеться:

.                      (2.3)

Звідки  визначиться як

.                         (2.4)

Оскільки конструктивно приймається, що , то з (2.4) . Іншими словами результат вимірювання в цьому випадку не залежить від електричного опору з’єднувальних провідників .

Трипровідну схему автоматичного зрівноваженого мосту для вимірювання температури наведено на рис. 2.3.

 

 

Рис. 2.3. Трипровідна схема автоматичного зрівноваженого мосту для вимірювання температури: ; ;  - опори резисторів, увімкнених у відповідні плечі;  - опір реохорда;  - зміна опору реохорда; ; ;  - опори з’єднувальних провідників;  - електричний підсилювач; - реверсивний двигун;  - опір терморезистора;  - опір шунта;  - напруга живлення

 

На схемі терморезистор  (рис. 2.3) вмикається у плече вимірювального мосту, що прилягає до реохорда , який виконує вимірювальну функцію. При такому увімкненні, рівняння рівноваги при початковому (2.5) і деякому проміжному значенні вимірювальної температури (2.6) без урахування опорів ліній і при відсутності шунтуючого опору , який служить для розширення границь вимірювання, має вигляд:

,                          (2.5)

де  - опір терморезистора при температурі  у вихідному стані, або

      (2.6)

Розкриваючи дужки в (2.6) і виконавши відповідні перетворення, з урахуванням (2.5), отримаємо, що

.                             (2.7)

Із (2.7) випливає, що зміна опору реохорда  в такому вимірювальному колі буде пропорційною зміні опору  перетворювача, яке викликане зміною вимірювальної температури.

Для зменшення впливу опорів ліній в схемі застосовується трипровідне увімкнення ТО. Опір окремих з’єднувальних провідників вмикається відповідно в сусідні плечі моста і діагональ живлення. При такому увімкненні, для деякого значення  (при якому міст буде симетричним), вплив опорів лінії  і їхньої зміни будуть повністю вилучені. Справді, для симетричного мосту, коли  з умови його рівності

. (2.8)

Знайдемо, що

.      (2.9)

Тобто в чисельнику і знаменнику лівої частини (2.9) опори  додаються до опорів , які за величиною дорівнюють опору , що не порушує умову рівноваги.

Принцип дії данного вимірювального мосту полягає у наступному. При зміні температури від початкового значення  (коли міст зрівноважений) до деякого значення , зміниться і опір  терморезистора, що викличе розбаланс мостової схеми. У зв’язку з цим, у вимірювальній діагоналі, куди увімкнено підсилювач ЕП, з’явиться напруга розбалансу мосту. Данна напруга підсилюється до величини, необхідної для того, щоб ротор реверсивного двигуна РД почав обертатись у відповідну сторону залежно від знака розбалансу.

Вал РД, будучи зв’язаним через редуктор з движком реохорда, переміщуватиме його доти, поки напруга розбалансу не дорівнюватиме нулю. Одночасно з цим переміщується стрілка (показчик) відносно шкали, проградуйованої в . Вона і вкаже на величину вимірювальної температури.

Незрівноважені мости (рис. 2.4) застосовуються в пристроях вимірювання температури рідше ніж зрівноважені. До недоліків незрівноважених мостів належить нелінійність їхньої функції перетворення та залежність вихідної напруги від напруги джерела живлення. Проте через виняткову простоту (при наявності стабілізованих джерел напруги) незрівноважені мости застосовуються для вимірювання температури у вузькому температурному діапазоні, коли нелінійністю функції перетворення можна знехтувати або зробити вихідний прилад з нелінійною шкалою.

Для мостового кола, зображеного на рис. 2.4, вихідна напруга  визначиться як

.      (2.10)

Із аналізу наведеного видно, що опори ліній  та  на результат вимірювань не впливають. Опори ліній  та  додаються не до опору терморезистора , а до опорів плеч мосту, величини яких можна вибрати суттєво більшими за опори лінії. У звязку з цим вираз (2.10) можна переписати, як

.             (2.11)

 

 

Рис. 2.4. Схема незрівноваженого мосту для вимірювань температури

 

Якщо міст зрівноважений при початковому значенні опору   (коли ), то для будь-якого іншого значення опору термоперетворювача можна записати

.             (2.12)

Якщо , то вихідну напругу можна прийняти пропорційною зміні опору , а нелінійність функції перетворення мосту досягне значення

.                               (2.13)

Наприклад, для мідного термометра опору ( ) при  нелінійність в діапазоні  приблизно дорівнюватиме 1%.

При точних вимірюваннях високих температур з застосуванням низькоомних терморезистивних перетворювачів, та при вимірюванні низьких температур, коли опір термоперетворювача співвимірний з опором з’єднувальних провідників, зменшення впливу опору останніх набуває суттєвого практичного значення. Для таких вимірювань застосовують компенсатори змінного струму (рис. 2.5).

 

Рис. 2.5. Схема автоматичного компенсатора для вимірювань температури

 

На схемі термоперетворювач  живиться від джерела змінної напруги, яке створює в колі даного термоперетворювача струм . Компенсаційне коло живиться від вторинної обмотки вимірювального трансформатора струму, первинна обмотка якого увімкнена в коло послідовно з термоперетворювачем. Значення компенсуючої напруги визначиться як

, (2.14)

де  - коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатора струму .

Опір  вибирається таким чином, щоб для початкового значення опору  був справедливим вираз

,               (2.15)

Тоді для інших значень  в заданому діапазоні вимірювань отримаємо

.    (2.16)

Звідси

.            (2.17)

З останнього виразу видно, що зміна опору реохорда лінійно залежить від зміни опору термоперетворювача.

Оскільки вимірювана напруга  ( ) і компенсувальна напруга  ( ) створюються від одного джерела, то зміна напруги живлення (та струму ) практично не впливає на результат вимірювання. Усувається також вплив опору лінії: два проводи знаходяться в колі джерела живлення, а по двох інших розміщених в компенсаційному колі, в момент компенсації (коли ) струм не проходитиме і на них не утворюється додатковий спад напруги.

Цифрові термометри

Задачі контролю температури з точки зору збору і аналізу даних про об’єкт найбільш ефективно можна вирішувати за допомогою електронних приладів. Їм характерний широкий діапазон вимірювання температури, максимально швидке отримання інформації в зручному для сприйняття вигляді, можливість інтегрування з будь-яким типом електронних систем.

В загальному випадку цифровий термометр складається з теплового чутливого елемента (наприклад терморезистора); АЦП, призначеного для перетворення аналогового сигналу від терморезистора в цифровий сигнал; дисплея; засобів введення-виведення сигналів для взаємодії з іншими пристроями; елемента живлення.

Структурну схему цифрового термометра наведено на рис. 2.6.

 

Рис. 2.6. Структурна схема цифрового термометра з терморезистивним перетворювачем

 

В таких термометрах зміна температури об’єкта, в якому розміщено терморезистор, викликає зміну його опору, який в блоці  перетворюється у відповідну зміну напруги. Перетворювач  живиться від стабілізатора струму. Вихідний сигнал блока  підсилюється підсилювачем  і надходить до аналогово-цифрового перетворювача (АЦП) , на виході якого знаходиться цифровий блок індикації , який призначений для висвічування температури контрольованого об’єкта.

 

Запитання для самоконтролю

 

1. Термометри та температурні шкали .

2. Двопровідна вимірювальна схема зрівноваженого не автоматичного мосту з терморезистивним перетворювачем температури.

3. Трипровідна схема з’єднання терморезистивного перетворювача з не автоматичним мостом.

4. Порівняльний аналіз дво- і трипровідної схем зрівноваженого не автоматичного мосту.

5. Аналіз трипровідної схеми автоматичного зрівноваженого мосту для вимірювання температури.

6. Принцип дії автоматичного зрівноваженого мосту для вимірювання температури.

7. Принципова схема незрівноваженого мосту для вимірювання температури.

8. Аналіз принципової схеми автоматичного компенсатора для вимірювання температури.

9. Результат вимірювання автоматичним компенсатором.

10. Аналіз структурної схеми цифрового термометра з терморезистивним перетворювачем.

---

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 770; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!