Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

100

Недостаток медных термометров сопротивления заключается в малом

удельном сопротивлении (ρ

=0,0155⋅10

-6

Ом⋅м) и значительным окис-

лением меди при высоких температурах из-за разрушения изоляции.

По точности измерения температуры медные термометры сопротив-

ления подразделяются на два класса: II и III, с номинальным сопро-

тивлением при 0

С, которое составляет 53 и 100 Ом и которым при-

своено обозначение градуировки соответственно гр 23 и гр 24. Допус-

каемое отклонение сопротивления ТСМ от номинального значения

для обоих классов точности составляет ±0,1%, а предел допускаемой

основной погрешности для термометров II класса равен 0,5 °С, и III

класса – 2 °С.

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) используются для

измерения температуры от –260 до +750 °С, а в отдельных случаях,

например, в метрологической практике, до 1100 °С. Чистая платина в

наибольшей степени отвечает всем основным требованиям, предъяв-

ляемым к металлам для изготовления чувствительного элемента тер-

мометров сопротивления. Это позволяет считать платиновый термо-

метр сопротивления наиболее точным из числа первичных преобразо-

вателей, предназначенных для измерения температур в указанной об-

ласти для этих приборов. К недостаткам платины следует отнести от-

клонение от линейного закона зависимости ее сопротивления, от тем-

пературы. Например, для интервала температур от 0 до 630 °С эта за-

висимость может быть описана выражением

= R

(1 + A⋅t + B⋅t

),(2.36)

а на интервале от –183 до 0 °С – выражением:

= R

[1+A⋅t + B⋅t

+ C⋅t

(t – 100)](2.37)

Постоянные А, В, С определяются в точках кипения воды, серы и

кислорода и используются при градуировках термометров сопротив-

ления.

Платиновые термометры сопротивления изготавливаются со сле-

дующими сопротивлениями при 0

С: 1, 5, 10, 50, 100, 500 Ом, кото-

рым присвоены следующие условные обозначения номинальной ста-

тической характеристики преобразования: 1П, 5П, 10П, 50П, 100П и

500П. Термометры с низким электрическим сопротивлением (1П, 5П,

10П) применяются в основном для измерения высоких температур, а с

более высоким – для измерения низких температур.

Платиновые термометры сопротивления в зависимости от их на-

значения разделяются на три основные группы: эталонные, образцо-

вые (1-го и 2-го разрядов) и рабочие (технические и лабораторные).

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

101

Технические термометры предназначаются для длительного измере-

ния температуры от –200 до 650

С с номинальными значениями со-

противлений при 0

С (R

), равными 10, 46, 100 Ом, которым присвое-

но обозначение градуировки соответственно гр20, гр21, гр22.

Никелевые термометры сопротивления (ТСН) имеют перспекти-

ву применения, т.к. обладают высоким температурным коэффициен-

том электрического сопротивления и большим удельным сопротивле-

нием, что позволяет изготовлять достаточно малогабаритные термо-

метры с малой инерционностью. Разработаны и применяются термо-

метры 3-го класса для измерения температуры в диапазонах от –60 до

+180

С. К числу недостатков никеля следует отнести значительную

окисляемость при высоких температурах и большую зависимость

температурного коэффициента сопротивления от степени чистоты ме-

талла. Кроме того, зависимость сопротивления никеля от температуры

имеет резко нелинейную характеристику (рисунок 2.32).

Кроме металлов для

изготовления термометров

сопротивления применяют

полупроводниковые мате-

риалы: германий, окислы

меди, марганца, кобальта,

магния, титана и их смеси.

Большинство полупровод-

никовых термометров со-

противления обладает

большим удельным сопро-

тивлением, поэтому можно

изготавливать очень малые

по размерам чувствитель-

ные элементы.

Зависимость сопротивления полупроводникового термометра со-

противления определяется выражением:













⋅

−

⋅=

BexpRR

0т

,(2.38)

где R

– сопротивление термометра при Т

=293К;

В – коэффициент, зависящий от материала полупроводника, из

которого изготавливается термометр.

Наибольшее распространение получили германиевые термомет-

ры сопротивления для измерения криогенных температур от 1,5 К до

-200-1000100200300400500

°C

Рисунок 2.32 – Зависимость отношения

для никеля, меди и платины от

температуры

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

102

90 К. Пределы допускаемых погрешностей рабочих термометров со-

ставляют от ±0,05 до ±0,1. Эталонный германиевый термометр сопро-

тивления воспроизводит и хранит единицу температуры в диапазоне

от 4,2 до 13,81 К.

Для измерения температур от –100 до +300

С применяются окис-

ные полупроводниковые термометры сопротивления (терморезисто-

ры). Форма и виды изготавливаемых чувствительных элементов тер-

морезисторов зависит от способа и условия их применения. Наиболее

распространенными видами терморезисторов являются цилиндриче-

ские, шайбовые и бусинковые, что делает их малоинерционными и

пригодными для измерения быстропротекающих тепловых процессов.

Кроме того, полупроводниковые термометры сопротивления можно

использовать в качестве бесконтактных температурных сигнализато-

ров (термореле). Это вызвано тем, что они обладают способностью

изменять свое сопротивление скачкообразно в несколько раз при дос-

тижении определенной температуры, что вызывает соответствующее

увеличение тока и срабатывание системы сигнализации.

Широкое использование полупроводниковых термометров со-

противления ограничивается рядом недостатков, которыми они обла-

дают. К ним, прежде всего, относится отсутствие взаимозаменяемости

изготавливаемых в настоящее время терморезисторов из-за большого

разброса характеристик даже для одного и того же типа термометра.

Это исключает возможность получения единой градуировочной таб-

лицы для данного типа термометра. Кроме того, нелинейный характер

зависимости электрического сопротивления от температуры, неста-

бильность характеристики, влияние условий измерения температуры

данной среды приводят к дополнительной погрешности измерения

температуры.

Перспективным направлением в области конструирования тер-

мометров сопротивления является использование тонкопленочной

технологии для изготовления чувствительных элементов термометров.

Особенностью технологии является напыление тонкого слоя металла

заданной конфигурации на изолирующую подложку. В качестве мате-

риала для изготовления чувствительных элементов используется

сравнительно недорогой чистый никель.

Никелевые тонкопленочные термометры сопротивления имеют

ряд преимуществ:

- минимальные размеры, что позволяет обеспечить относительно

высокое быстродействие при достаточно высокой точности преобра-

зования;

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

103

- высокая стабильность температурного коэффициента сопротив-

ления;

- низкая стоимость.

Диапазон измерений при использовании никелевых термометров

сопротивления составляет от –40 до 150

С в долговременном режиме,

при этом, погрешность измерения не превышает ±0,3%. Высокая дол-

говременная стабильность позволяет использовать такие датчики тем-

пературы в системах контроля энергетических установок, учета рас-

хода тепла в системах отопления и горячего теплоснабжения и др.

2.11 Конструктивное выполнение термометров сопротивления

Промышленность выпускает унифицированные конструкции

термометров сопротивления для измерения температуры жидких и

газообразных сред. Чувствительный элемент металлического термо-

метра состоит из проволоки или ленты, которая намотана на каркас из

стекла, кварца, керамики, слюды или пластмассы (рисунок 2.33). Для

уменьшения влияния внешних электрических и магнитных полей про-

волочное сопротивление 1 наматывают на каркас 2 бифилярно (т.е.

сдвоенным проводом). При таком способе намотки образуются два

соленоида, расположенных один в другом, и направления токов в них

всегда противоположны, что делает такую намотку безиндукционной.

Пространство между корпусом и проволочной спиралью заполнено

порошком окиси алюминия.

Платиновые термометры сопро-

тивления изготавливаются из прово-

локи диаметром 0,03 –0,1 мм, медные

– из проволоки диаметром 0,05-0,1

мм. Безиндукционная намотка обес-

печивает возможность включения

термометра сопротивления в схему

измерения с приборами, питаемыми

постоянным или переменным током.

Металлические термометры со-

противления используются для изме-

рения температуры воздуха, газооб-

разного и жидкого топлива, кислорода,

охлаждающей металлические конст-

рукции агрегата воды, пара, низкотем-

пературных продуктов сгорания и др.

1 – проволочное сопротивление;

2 – каркас; 3 – корпус;

4 - соединительная головка;

5 - измерительный прибор.

Рисунок 2.33 – Устройство термо-

метра сопротивления

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

104

2.12 Вторичные приборы для термометров сопротивления

В качестве вторичных приборов для измерения температуры с

использованием термометров сопротивления применяются: неуравно-

вешенные мосты, уравновешенные мосты, логометры.

Неуравновешенные мосты для измерения температуры применя-

ют редко. Однако, они нашли широкое применение для измерения со-

противления в газоанализаторах, концентратомерах и ряде других

средств измерения. Неуравновешенный мост состоит из четырех рези-

сторов, три из которых (R

, R

) выполнены из манганина и их со-

противления в процессе измерения не изменяются, и одного термо-

метра сопротивления (R

) как чувствительного элемента, расположен-

ного в объекте измерения температуры (рисунок 2.34). Электрическая

схема моста представляет собой прямоугольник, на сторонах которого

располагаются манганиновые сопротивления R

, R

и термометр

сопротивления R

. К одной диагонали моста (точки 1 и 2) подводится

питание от батареи или другого источника, на другой диагонали (из-

мерительные точки «а» и «б») располагается измерительный прибор.

При измерении температуры

сначала производится контроль

напряжения между точками «а» и

«б». Для этого в плечо моста «б-2»

включается контрольное сопро-

тивление R

и при помощи регу-

лировочного сопротивления R

устанавливается стрелка измери-

тельного прибора ИП на кон-

трольной точке (k), т.е. при этом

устанавливается градуировочное

значение напряжения в измери-

тельной диагонали. После опера-

ции «контроль» включается тер-

мометр сопротивления R

и от-

ключается R

При измерении температуры

изменяется сопротивление термо-

метра R

и в измерительной диаго-

нали между точками «а» - «б»

возникнет разность потенциалов,

объект

Рисунок 2.34 –Схема неуравно-

вешенного моста

ИП

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

105

которую можно определить как разность падений напряжений между

соседними плечами моста, т.е.

а-б

= U

а-2

– U

б-2

,(2.39)

где

а-2

= I

⋅ R

; U

б-2

= I

⋅R

. (2.40)

Токи, протекающие через два верхних сопротивления и два ниж-

них сопротивления, соответственно определяются :

−

;

−

(2.41)

Подставив полученные значения токов и напряжений формул

(2.40), (2.41) в первоначальную формулу (2.39), получим зависимость

падения напряжения в измерительной диагонали от R













−

−−

21ба

UU (2.42)

Из формулы (2.42) неуравновешенного моста видно, что напря-

жение в измерительной диагонали, измеряемое измерительным при-

бором, зависит только от значения R

, т.е. от температуры в объекте

при неизменяемых значениях остальных параметров, входящих в эту

формулу. Вследствие этого, для обеспечения правильности показаний

прибора необходимо поддерживать постоянное напряжение в точках

«1» и «2» при помощи регулировочного сопротивления (реостата) R

или применять специальный стабилизированный источник питания. В

первом случае, при наличии внутреннего источника питания в виде

батареи или аккумулятора, прибор является автономным и не зависит

от внешнего источника питания. Во втором случае, для работы прибо-

ра необходимо наличие постороннего источника питания возле объек-

та, в котором измеряется температура. Неуравновешенные мосты яв-

ляются достаточно чувствительными и точными приборами с классом

точности меньше 0,5 и могут применяться даже как контрольные для

поверок автоматических мостов и термометров сопротивления.

В промышленных условиях для непрерывного измерения темпе-

ратуры воды, пара, различных газовых сред применяются автомати-

ческие уравновешенные мосты (рисунок 2.35). Уравновешенным мос-

том называется такая мостовая электрическая схема, в которой раз-

ность потенциалов между точками «а» и «б» в момент измерения рав-

на нулю. Для уравновешивания моста необходимо одно из сопротив-

лений на любом плече моста сделать переменным. Условие равнове-

сия мостовой схемы можно определить из формулы (2.42), где U

а-б

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

106

необходимо приравнять к нулю:













−

U0 (2.43)

Из двух сомножителей, стоящих в правой части уравнения, при-

равнять нулю можно только выражение, стоящее в скобках, поэтому:

−

.(2.44)

Откуда:

⋅R

= R

⋅R

.(2.45)

Как видно из этого выражения (2.45), мостовая схема будет нахо-

диться в равновесии, если произведения сопротивлений противопо-

ложных плеч будут между собой равны. Для обеспечения такого ра-

венства сопротивление R

выполнено переменным, при этом, каждому

значению R

будет соответствовать вполне определенное сопротивле-

ние R

, т.е.

RkR

R ⋅==

.(2.46)

Таким образом, меж-

ду температурой в объекте

(выраженной через R

) и

положением движка со-

противления R

имеет ме-

сто однозначная зависи-

мость, и положение движ-

ка укажет значение изме-

ряемой температуры (если

вся длина сопротивления

отградуирована в гра-

дусах).

Работа автоматиче-

ского моста происходит

следующим образом. При

изменении температуры в

объекте изменяется вели-

чина R

и между точками

«а» и «б» появляется раз-

ность потенциалов, кото-

рая поступает на электронный усилитель. Усиленный сигнал управля-

объект

ИПС

ИМ

Рисунок 2.35 – Схема уравновешенного

автоматического моста

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

107

ет работой исполнительного механизма ИМ, который будет переме-

щать движок переменного сопротивления (реохорда) R

до тех пор,

пока, разность потенциалов между точками «а» и «б» не будет равна

нулю, при этом, вся система (включая мост, электронный усилитель,

исполнительный механизм) придет в состояние равновесия.

Схема уравновешенного автоматического моста получила наи-

большее распространение при измерении температуры с использова-

нием термометра сопротивления, т.к. обладает следующими преиму-

ществами:

- показания моста не зависят от колебания напряжения питания;

- показания прибора линейно связаны с изменением измеряемой

температуры;

- измерение температуры осуществляется автоматически;

- конструкция мостов позволяет осуществлять запись показаний

температуры объекта.

К числу недостатков схемы следует отнести:

- необходимость в схеме достаточно сложного устройства для

уравновешивания (электронный усилитель, исполнительный

механизм, реохорд);

- трудность или невозможность измерения малых сопротивле-

ний;

- влияние изменения сопротивления соединительных проводов

на показания прибора.

Для уменьшения влияния сопротивления проводов применяют

трехпроводную схему включения термометра сопротивления в мосто-

вую схему, т.е. источник питания одним полюсом подключается непо-

средственно к одному из концов термометра сопротивления (на ри-

сунке 2.35 точку 2 переносят в точку 2′). В этом случае сопротивление

линии термометра включают в два соседних плеча моста, что

позволяет в значительной степени уменьшить температурную погреш-

ность от изменения сопротивления линии.

В настоящее время промышленность выпускает автоматические

уравновешенные мосты различных модификаций с классом точности

0,25 и 0,5: показывающие, самопишущие с ленточной и дисковой

диаграммой, с сигнальными и регулирующими устройствами,

одноточечные и многоточечные, миниатюрные, малогабаритные и

нормальногабаритные, с различной градуировкой для работы с

медными и платиновыми термометрами сопротивления, с различными

пределами измерения температуры от –200 до +650 °С.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

108

Логометры. Магнитоэлектрический логометр (логос - «отноше-

ние») является вторичным прибором, работающим в комплекте с тер-

мометрами сопротивления для измерения температуры газообразных

и жидких сред. Принцип действия лого-

метра основан на измерении отношения

двух токов, проходящих через две жестко

скрепленных рамки, находящиеся в маг-

нитном поле постоянного магнита. Лого-

метр (рисунок 2.36) состоит из постоянно-

го магнита с полюсными наконечниками

овальной формы и поэтому значение маг-

нитной индукции в разных точках воз-

душного зазора при разном угле поворота

рамок и стрелки будет различным. Воз-

душный зазор уменьшается от центра к

краям полюсных наконечников и соответ-

ственно от центра к краям полюсных на-

конечников возрастает магнитная индук-

ция в зазоре. Обе рамки логометра пита-

ются от одного источника питания Б и

включены таким образом, что их вращающие моменты направлены

навстречу друг другу. Значения вращающих моментов рамок М

и М

можно определить по формулам:

= k⋅І

; М

= k⋅І

,(2.47)

где І

и І

- значение токов, проходящих через рамки;

и В

– значение магнитной индукции в местах расположения

рамок;

k – коэффициент, определяемый геометрическими параметрами

рамки и числом витков рамки.

При измерении температуры изменяется значение R

и изменяет-

ся, в свою очередь, значение токов І

и І

проходящих через рамки. На

рамках возникнут различные вращающиеся моменты М

и М

и сис-

тема из двух рамок начнет поворачиваться. При этом рамка с большим

вращающим моментом попадает в более слабое магнитное поле и ее

момент будет уменьшаться, в то время как рамка с меньшим вращаю-

щим моментом попадает в сильное магнитное поле и ее момент будет

увеличиваться. При определенном угле поворота вращающие момен-

ты сравняются и рамки остановятся, т.е.

= М

Рисунок 2.36 – Схема

логометра

объект

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

109

или

⋅В

=І

⋅В

(2.48)

откуда

(2.49)

Учитывая, что отношение

является функцией угла α поворо-

та двух рамок, можно записать

)(f

α=

Отношение же токов

зависит от величины R

, т.е. от значения

температуры в объекте, что можно представить как :

=ϕ(R

Таким образом, угол поворота подвижной системы (двух рамок и

показывающей стрелки), при котором моменты М

и М

будут равны,

(положение равновесия системы), зависит от сопротивления термо-

метра, а, значит, от измеряемой температуры и не зависит от напря-

жения питания.

В логометрах подвод тока к рамкам осуществляется с помощью

маломоментных спиральных волосков, которые одновременно служат

и для возвращения стрелки в исходное положение при выключенном

источнике питания. В этом случае изменение напряжения питания на

±10% от номинального значения вызывает изменение показаний,

обычно не превышающее предела допускаемой основной погрешно-

сти логометра.

Основным недостатком логометров, работающих с высокоомны-

ми термометрами сопротивления, является влияние сопротивление

подводящих проводников, значение которых может меняться при из-

менении окружающей температуры. Для уменьшения температурной

погрешности прибора последовательно с рамками включают мангани-

новые резисторы. Однако, такая операция приводит к некоторой поте-

ре чувствительности логометра, что ограничивает верхний предел ве-

личины сопротивления дополнительных резисторов. Кроме того, на

точность измерения температуры влияют моменты трения в опорах,

моменты сопротивления токоподводов, момент инерции подвижной