Тема 7 Разработка терморезистивного измерителя температуры

Задание

1. Произвести выбор чувствительного элемента для измерения температуры масла в резервуаре.

Заданы размеры и форма резервуара:

Диапазон измеряемых температур : t _x =0….+100^оС

Изменение температуры окружающей среды: t₁ = t₂ = t_o = -30….+40^оС

Допустимая погрешность Δt = ±3^оС

Коэффициент теплоотдачи среды α_тп = 110 Вт/(м² К)

Внешнее давление до 1 МПа.

2. Выбрать предпочтительный термометр сопротивления

Тип	Пределы измерений, оС	Rt мин , Ом	Rt макс , Ом
Медный Медный Платиновый Платиновый	0 – 50 0 – 100 0 - 50 0 - 100	53 53 300 46	64,26 75,53 358,79 63,89

3. Выбрать материал для изготовления защитного корпуса термометра и вычислить допустимый ток через терморезистор

4. Рассчитать параметры измерительной схемы.

Методические указания

Для измерения температуры в промышленных условиях обычно применяют стандартные металлические терморезисторы (ТР), но в лабораторных условиях и для исследовательских целей также используют полупроводниковые ТР (термисторы).

При выборе типа ТР следует руководствоваться следующими соображениями :

- преобразователь должен обеспечивать необходимую точность измерения в заданном диапазоне рабочих температур;

- начальное сопротивление ТР желательно иметь достаточно большим для уменьшения влияния соединительных проводов;

- термисторы имеют высокую чувствительность и начальное сопротивление, но их функции преобразования нелинейны и взаимозаменяемость затруднена;

- медные ТР могут использоваться в том же диапазоне температур, что и термисторы, но линейны, взаимозаменяемы и дешевы, но инерционны, имеют малое начальное сопротивление;

- платиновые ТР дороги, имеют высокую точность и работают в широком диапазоне температур.

Особенности расчета ТР.

Выбор типа ТР.

Диапазон измерения в данной задаче не велик и лежит в области средних температур, но температура окружающей резервуар среды колеблется в широких пределах, что привело бы к применению специальных мер для устранения влияния свободных концов в случае выбора термопары вместо ТР.

Требуемая точность измерения не высока, что исключает необходимость применения платинового ТР.

Выбираем стандартный медный термометр сопротивления градуировки ГР23 (функция преобразования задается в стандартах), сопротивление которого при 0^оС равно R_o = 53 Ом.

Погрешность перегрева, которая возникает при прохождении тока через ТР:

Δt_н = I²_н*R_o /P_T

где : I_н – ток, протекающий через ТР, R_o – начальное сопротивление ТР, P_T – коэффициент рассеяния мощности (для медных термометров P_T = 2,5 * 10^-2 Вт/К ).

Так, для обеспечения Δt_н =1^оС ток I_н = = 21,6 мА.

Полученное значение должно быть учтено при расчете параметров измерительной схемы.

Погрешности установки – разность между температурой среды и температурой чувствительного элемента из-за отвода тепла по корпусу ТР и потери тепла излучением.

Погрешность теплопередачи по корпусу может быть уменьшена правильным выбором глубины погружения термометра и термоизоляцией внешней головки. Так, при выполнении корпуса термометра из латуни Л-62 получается удовлетворительный результат (Δt_к ≈ 0,8^оС).

Погрешность излучения можно определить, используя выражение:

Δt_из = ε*С_о* α_тп^-1[(0,01T_чэ)⁴ – (0,01T₂)⁴] ,

Где : ε = 0,6– степень черноты корпуса, С_о = 5,7 Вт/(м²К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела, T_чэ и T₂ – абсолютные температуры чувствительного элемента и резервуара.

Для условий задачи :

Δt_из = (0,6*5,7 /110)[(3,73)⁴ – (2,43)⁴] = 4,76^оС.

Такой результат не приемлем. Но, уменьшить (до 1^оС) потери тепла на излучение можно закрыв тепловым экраном часть резервуара вокруг термометра.

Расчет параметров измерительной схемы

Выбираем измерительную схему автоматического моста:

Обозначения:

R_Т – термометр сопротивления; R_рег – реохорд; R_лин – соединительные провода; R₂ , R₃ ; R₄ – постоянные сопротивления плеч моста.

(R₃ + R_лин) = R₄ , а также принимается равным сопротивлению плеча с термометром при положении движка реохорда в средней точке.

R_лин = 2,5 Ом.

R_рег = 2ΔR_рег = R_Тмакс – R_Тмин .

Выражая сопротивление каждого из плеч моста через R₄ можно составить 3 уравнения и вычислить все сопротивления, образующие схему моста.

Напряжение питания моста задается из условия, что рассчитанный ранее ток I_н должен быть менее 21,6 мА. Рекомендуется задать I_н = 8 – 10 мА.