Робота №14

ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТЕРМОМЕТРОМ ОПОРУ ЗА ДОПОМОГОЮ АВТОМАТИЧНОГО САМОПИСНОГО МОСТА

І. Мета роботи.

Метою роботи є ознайомлення з електричним методом вимірювання температури, вивчення побудови платинового термометру опору, перевірка градуювання автоматичного самописного моста, вимірювання температури платиновим термометром опору за допомогою автоматичного самописного моста.

Іі. Теоретична частина

Електричні вимірювання неелектричних величин охоплюють вимірювання великого числа величин і параметрів, що характеризують різні фізичні, хімічні явища і побутові процеси.

Щоб виміряти неелектричну величину електричним методом, необхідно перетворити її на електричну. Тому основною частиною схеми для вимірювання неелектричної величини є перетворювач (рис. 1).

Перетворювач з’єднано безпосередньо з вимірювальним ланцюгом або лінією зв’язку з електричним приладом, шкала якого градуюється в одиницях неелектричної величини, що вимірюється.

Широке застосування при дистанційному вимірюванні температури електричними методами отримали термометри опорів (ТО). Наприклад, для правильного режиму роботи котлів і турбогенераторів на електричних станціях проводять контроль температур в багатьох точках за допомогою ТО.

Термометром опору називається провідник або напівпровідник з великим температурним коефіцієнтом, внаслідок чого його опір різко залежить від температури і тому визначається режимом теплового обміну між провідником і навколишнім середовищем.

Найпростіша принципова схема виміру температури за допомогою ТО показана на рис.2. Термометр опору 1 поміщений в зону виміру температури, трипровідна лінія зв’язку 2 з’єднує його з урівноваженим мостом постійного струму 3.

Основною вимогою до матеріалів, застосовуваним для термометрів опору, є можливо великий і стабільний температурний коефіцієнт електричного опору при достатньо великому питомому опорі. Такими матеріалами є платина, мідь, нікель, залізо. Температурний коефіцієнт цих матеріалів позитивний і коливається (в інтервалі 0 – 100°С) від 0,35% до 0,68% на 1 град.

Стандартні платенові термометри опору застосовуються для виміру температури від –200°С до +500°С, мідні, – від 50°С до +180°С.

Залежність опору r платинового ТС від температури t° у межах від 0 до 650°С виражається рівнянням

r = r₀ (1 + At + Bt²),

де r₀ - опір ТС при температурі 0°С, А и В – сталі, які відповідно дорівнюють 3,94  10^-3 1/град і 5,8  10^-7 1/град².

Значення r₀, А, В визначають за результатами дослідів, проведених при температурах, що відповідають точці плавлення льоду (0°С), точці кипіння води (100°С) і сірки (444,6°С) при нормальному атмосферному тиску.

Платинові термометри опору позначаються ТСП. Величини номінальних опорів ТСП при 0°С та інші дані приведені в таблиці 1.

Таблиця 1.

Тип термометру опору	Номінальний Опір 0м	Позначення градуювання	Діапазон температур при тривалому використанні °С
			Віл	До
ТСП	10	Гр. 20	0	+650
ТСП	46	Гр. 21	-200	+500
ТСП	100	Гр. 22	-200	+500

Величини опору ТСП із стандартним градуюванням (Гр) для температур від 0°С до 100 °С приведені в таблиці 2.

Таблиця 2

°С	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Гр. 21 r, Ом	46,0	47,82	49,64	51,45	53,26	55,06	56,86	58,65	60,43	62,21	63,99
Гр. 11а r, Ом	46,0	47,81	49,62	51,42	53,22	55,01	56,80	58,58	60,96	62,13	63,89

Для того щоб температурні характеристики ТО залишалися стабільними і мало відрізнялися від градуювальної таблиці, їх необхідно виготовляти з матеріалів з ідентичними властивостями.

Критерієм ідентичності матеріалу служить відношення r₁₀₀/r₀ де r₁₀₀ – опір ТС при 100°С, а r₀ – опір при 0°С.

Рис. 1, 2, 3

Стандарт встановлює певні значення співвідношення r₁₀₀/r₀, які характеризують клас ТСП (табл. 3).

Таблиця 3.

Матеріал чутливого елемента	r100/r0
	Клас 1	Клас 2	Клас 3
Платиновий дріт	1,3910,0007	1,3910,001	–

Платиновий термометр опору складається зі слюдяного або скляного каркаса, на якому намотується біфілярно платиновий дріт діаметром 0,030,07 мм. До кінців обмотки припаюються висновки зі срібного дроту або стрічки. Каркас зажимається між двома більш широкими пластинами зі слюди для ізоляції дроту від арматури термометра. Пакет із слюдяних пластин перев'язується срібною стрічкою і вставляє в алюмінієву трубку для захисту від механічних ушкоджень. Для зменшення теплової інерції по обидва боки пакета розташовані металеві вкладиші. Виводи ізольовані порцеляною. Алюмінієва трубка поміщається в захисну арматуру, виготовлену з вуглеводної або нержавіючої сталі в залежності від хімічних властивостей середовища, температура якого вимірюється.

У якості вимірювальних приладів, що працюють спільно з ТО, використовуються урівноважені і неурівноважені мости постійного струму, а також магнітоелектричні логометри.

Урівноважені мости випускаються двох різновидів: неавтоматичні й автоматичні. На мал. 3-а приведена принципова схема неавтоматичного урівноваженого моста. Вона складається з постійних опорів r₁, r₂, термометра опору r_тс, опору проводів r_пр і зміннного опору (реохорда) r₃. Реохорд має шкалу, яка проградуйована в °С, і покажчик відлікового пристрою.

Міст урівноважений при умові

r₁ (r_тс + r_пр) = r₂r₃. (1)

При цьому струм у нуль приладі НП відсутні і його покажчику встановлюється на нульовій позначці шкали.

Сутність виміру температури врівноваженими мостами полягає в тому, що при зміні вимірюваної температури змінюється опір r_тс, тобто міст виходить із рівноваги. Шляхом зміни опору реохорда r₃ досягають нової рівноваги моста. Таким чином, кожному значенню температури відповідає певне положення повзунка реохорда r₃ і пов’язаного з ним покажчика. Врівноважені мости позбавлені недоліків неврівноважених мостів, а саме, зміна напруги джерела живлення на 20% не впливає на точність вимірів.

На результатах вимірів може істотно позначитися зміна опору з'єднувальних проводів r_пр через зміну зміною навколишньої температури. Для зменшення похибки застосовують багатопровідні до багатопровідної схеми з’єднання ТО з мостом.

На рис. 3-б показана трьохпровідна схема вмикання ТО. При такому з’єднанні опір одного проводу r_пр підсумовується з опором r_тс, а опір r_пр з опором r₃. Рівняння рівноваги моста в цьому випадку має вид:

(r_тс + r_пр) = (r₃ + r_пр) r₂/r₁.

У симетричного моста, коли r₁ = r₂; r_тс + r_пр = r₃ + r_пр, однозначна зміна опорів r_пр і r_пр не впливає на результати вимірювання.

У цьому випадку, коли потрібно мати безперервні показання значень змінюваної величини, а також їх записувати, широко використовуються самописні що врівноважуються автоматично мости (рис. 3-в). Як випливає зі схеми, в два плеча моста r₃ і r_тс включені частини регульованого опору реохорда r_р. Повзунок реохорда сполучений із віссю реверсивного двигуна РД. Якщо міст урівноважений, то напруга між точками С,Д дорівнює нулю і двигун нерухомий. При зміні опору r_тс між точками С,Д з’явиться напруга U, яке посилюється підсилювачем У_с і подається на реверсивний двигун РД. Двигун починає ообертатися і переміщує повзунок реохорда r_р у нове положення, при якому міст знову буде врівноважений. Одночасно переміщується покажчик і самописка, яка фіксує на папері, що рухається, значення вимірюваної температури.