Термометры сопротивления

Показатель тепловой инерции  ε∞ термометров сопротивления в  спокойном воздухе не превышает 7 с для ТСП-236 и 14 с – для  ТСП-246. Термометры имеют класс точности 2. Монтажные длины термометров: у  ТСП-236 от 20 до 200 мм; у ТСП-246 от 150 до 375 мм.

Чувствительный элемент  медного термометра сопротивления  типа ТСМ, предназначенного для измерения  температуры в пределах от –50 до 180°С, показан на рис. Он выполнен из изолированной медной проволоки диаметром 0,1 мм многослойной безындукционной намоткой на цилиндрическом каркасе из пластмассы или металла, герметизированной слоем лака. К концам обмотки припаяны выводы из медной проволоки. Собранный чувствительный элемент (длина равна 40 мм, диаметр 5 – 6 мм) вставляют в металлический чехол.

 

Рис. Чувствительный элемент медного термометра сопротивления на каркасе из пластмассы.

На рис. показан бескаркасный ЧЭ медного термометра сопротивления типа ТСМ, который выполнен из изолированной медной проволоки диаметром 0,08 мм безындукционной бескаркасной намоткой, покрытой фторопластовой пленкой. К концам обмотки припаяны выводы из медной проволоки. С целью обеспечения вибростойкости чувствительный элемент вставляют в тонкостенный металлический защитный чехол, который засыпается керамическим порошком и герметизируется.

 

Рис. Чувствительный элемент медного термометра сопротивления бескаркасный.

 

 

 

7. Измерительные приборы для работы с термометрами сопротивления

 7.1. Автоматические компенсационные приборы для работы с малоомными термометрами сопротивления

 При измерении малоомными  термометрами с чувствительным  элементом из платиновой проволоки  диаметром 0,2 – 0,5 мм температур  до 1000°С и выше приходится измерять  сопротивления, соизмеримые с  сопротивлением проводов, соединяющих  термометр с прибором. Аналогичный  случай имеет место и при  измерении платиновым термометром  низких температур в пределах  от –200 до –260°С. В этом случае  при температурах, равных –240, –250 и –260°С, платиновый термометр  с номинальным значением сопротивления  при 0°С R0 = 100 Ом имеет сопротивление  соответственно 2,750; 1,093 и 0,510 Ом.

Автоматические приборы, необходимые для измерения температуры  ниже –200°С и выше +650°С с помощью  термометров сопротивления, изготавливаются  только по специальным заказам.

Рассмотрим одну из схем автоматического компенсационного прибора, для измерения малых  значений сопротивления (около 0,1 – 0,01 Ом). Измерительная схема этого  прибора имеет высокую чувствительность, что позволяет обеспечить измерение  низких температур в промышленных условиях с достаточной точностью, а также  измерять температуру с использованием малоомных термометров сопротивления. Применение четырехпроводной схемы  присоединения термометра позволило  полностью исключить влияние  на результаты измерения сопротивления  проводов, соединяющих термометр  с прибором.

Принципиальная схема  автоматического компенсационного прибора переменного тока для  измерения и записи низких температур (ниже 0°С) приведена на рис. Здесь Rт – термометр сопротивления; Rн – резистор для подгонки начального значения шкалы; Rп.р – приведенное сопротивление реохорда (Rп.р = Rп.р Rп (Rп.р + Rп)-¹; Rб – балластный резистор для ограничения тока в цепи термометра; Tpт – трансформатор тока.

Питание измерительной схемы  осуществляется напряжением переменного  тока 6,3 В, частотой 50 Гц от вторичной  обмотки силового трансформатора усилителя. Термометр сопротивления Rт и  балластный резистор включены в схему  последовательно с первичной  обмоткой трансформатора тока Tpт. Нагрузкой  вторичной обмотки трансформатора тока являются резистор Rн и приведенное сопротивление реохорда Rп.р. Рассматриваемая схема прибора позволяет измерять активное сопротивление термометра путем автоматической компенсации напряжения, возникающего на зажимах термометра bc, противоположным ему по фазе напряжением, снимаемым с резистора Rн, и сопротивления реохорда левее движка a.

 

Рис. Принципиальная схема автоматического компенсационного прибора

Когда измеряемая температура, а следовательно, и сопротивление  термометра соответствуют начальному значению шкалы прибора, движок реохорда a находится на схеме в крайнем  правом положении. В этом случае напряжение на термометре компенсируется напряжением, снимаемым с резистора Rн и  реохорда Rп.р:

I1Rт.н = I2(Rн+Rп.р)

где I1 – ток, протекающий  через термометр сопротивления  и первичную обмотку трансформатора тока; I2 – вторичный ток трансформатора; Rт.н – сопротивление термометра, соответствующее начальному значению шкалы прибора.

При нарушении равновесия напряжений вследствие уменьшения сопротивления  термометра, а следовательно, и измеряемой температуры на вход усилителя подается напряжение небаланса. Это напряжение усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал двигателя, кинематически связанный  с движком реохорда и указателем, передвигает их и приводит измерительную  схему в равновесие. В этом случае положению равновесия схемы соответствует  уравнение

I1Rт = I2 (Rн + mRп.р)

где m = R'п.р/Rп.р (здесь R'п.р  – сопротивление участка реохорда левее движка a).

Решая уравнение, приведенное  выше относительно Rт, получаем:

Rт = kI (Rн + mRп.р) 

где kI = I2/I1 – коэффициент  трансформации трансформатора тока.

В последнее уравнение, связывающее  измеряемое значение сопротивления  термометра с сопротивлением реохорда Rп.р и резистора Rн, входят не значения токов, а их отношения или коэффициент kI, который в достаточно широких  пределах изменения намагничивающего тока имеет постоянное значение. Это  позволяет считать, что колебания  напряжения питания или изменения  сопротивлений токовых проводников  термометра, вызывающие изменение тока I1, на результаты не влияют.

 

7.2. Общие сведения об автоматических уравновешенных мостах

 Автоматические уравновешенные  мосты широко применяются в  различных отраслях промышленности  для измерения и записи температуры  в комплекте с термометрами  сопротивления. Они могут быть  использованы для измерения, записи  и сигнализации или регулирования  температуры. В этом случае  автоматические уравновешенные  мосты, так же как и автоматические  потенциометры, снабжаются дополнительным  устройством для сигнализации  или регулирования температуры.  Некоторые модификации уравновешенных  мостов снабжаются реостатными  преобразователями для дистанционной  передачи показаний. Автоматические  уравновешенные мосты находят  также применение для измерения  других величин, изменение значений  которых может быть преобразовано  в изменение активного электрического  сопротивления.

Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами  высокого класса точности. Они бывают показывающие, показывающие и самопишущие  с записью на дисковой и ленточной  диаграмме. Приборы с дисковой диаграммной  бумагой служат для измерения  и записи температур в одной точке  и называются одноточечными. Уравновешенные мосты с ленточной диаграммой изготовляются как одноточечные, так и многоточечные, т. е. для  измерения и записи температуры  в одной или нескольких (3, 6, 12) точках.

Питание измерительной схемы  уравновешенных мостов осуществляется напряжением переменного тока 6,3 В, частотой 50 Гц от вторичной обмотки  силового трансформатора усилителя. Питание  силовой цепи приборов производится от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Применяемые усилители  в уравновешенных мостах обычно снабжаются входным трансформатором.

Автоматические уравновешенные мосты, предназначенные для работы в комплекте с термометрами сопротивления, выпускаются с градуировкой шкалы  в градусах Цельсия. При этом необходимо иметь в виду, что их температурная  шкала действительна только для  термометра сопротивления определенной градуировки и заданного значения сопротивления внешней соединительной линии.

Для автоматических уравновешенных мостов установлены классы точности (по показаниям), а именно 0,25; 0,5; 1,0; 1,5.

Пределы допускаемой основной погрешности показаний автоматических уравновешенных мостов, выраженные в  процентах нормирующего значения измеряемой величины, на всех отметках шкалы не должны превышать: ±0,25; ±0,5; ±1,0; 1,5% –  для классов точности 0,25; 0,5; 1,0; 1,5 (соответственно). За нормирующее значение принимают разность конечных значений диапазона измерения. Нормирующее  значение и диапазон измерения выражаются в единицах сопротивления.

Автоматические уравновешенные мосты выпускаются с временем прохождения указателем прибора  всей длины шкалы 2,5 с и менее (быстродействующие), а также более 2,5 с (например, 10 с).

Автоматические уравновешенные мосты типов КПМ, КВМ и КСМ  удовлетворяют в большей степени  современным требованиям промышленности по сравнению с ранее выпускаемыми автоматическими уравновешенными  мостами МП, ЭМВ, ЭМД, МС и др.

 

 

7.3. Логометры

Рассматриваемые ниже приборы  магнитоэлектрической системы, называемые логометрами, широко используются в  практике технологического контроля для  измерения и записи температуры  в комплекте с термометрами сопротивления. Кроме того, логометры могут быть использованы для измерения, записи и регулирования или сигнализации температуры. В этом случае они должны быть снабжены дополнительным регулирующим или сигнальным устройством. Логометры выпускаются обычно с градуировкой шкалы в градусах Цельсия. При этом необходимо иметь в виду, что температурная их шкала действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления внешних соединительных линий. Логометры находят также применение для измерения других величин, изменение значения которых может быть преобразовано в изменение активного электрического сопротивления.

Логометрические схемы широко используются при измерениях с невысокой  точностью. Прибор состоит из двух рамок-катушек, закрепляемых на общем каркасе. Система  из двух рамок свободно вращается  в неоднородном магнитном поле. Токоподводящие подвески (обычно изготавливаемые из тонких золотых ленточек) практически  не препятствуют вращению рамок.

 

Рис а) Схема логометра: 1 – термометр сопротивления, 2 – эталонное сопротивление, 3 – батарея, 4 – рамки логометра; б) Схема логометра при большом удалении термометра сопротивления

Как видно из рис.6.2а, одна из катушек логометра питается током  от источника, проходящим через калибровочное  сопротивление, вторая – током, проходящим через термометр. Катушки включены таким образом, что вращающие  моменты их направлены в противоположные  стороны. Путем изменения магнитного зазора создается такое неоднородное магнитное поле, в котором рамки  во всем диапазоне производимых измерений  уравновешивают друг друга. Изменяя  неоднородность поля, можно добиться равномерности деления шкалы  под стрелкой прибора.

Поскольку момент токоподводящих ленточек мал по сравнению с рабочими моментами, равновесное положение  рамки практически зависит только от соотношения сопротивлений в  плечах схемы. Таким образом, схема  оказывается нечувствительной к колебаниям напряжения источника питания до тех пор, пока сила тока в плечах не начнет влиять на соотношение сопротивлений.

При большом расстоянии между  термометром и измерительным  прибором точку разветвления B (рис б) целесообразно располагать вблизи термометрического сопротивления. Изменения сопротивлений, возможные из-за колебаний температуры соединительного кабеля, будут иметь место в обоих контурах измерительной цепи, и, таким образом, эти колебания не отразятся на результате измерений.

Если показывающий прибор находится при постоянной температуре, собственные сопротивления катушек  не являются источником погрешностей. Хотя такие условия обычно не соблюдаются, погрешностью, вносимой изменением сопротивления  катушек, можно в большинстве  случаев пренебречь. В тех случаях, когда с этим изменением сопротивления  нельзя не считаться, от его влияния  можно избавиться, включив скрещенные катушки логометра в разные диагонали  моста, в одно из плечей которого включено сопротивление термометра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Заключение

Действие термометров  сопротивления основано на свойстве металлов и сплавов изменять сопротивление  с изменением температуры. Обычно для  неточных электротехнических расчетов эта зависимость принимается  линейной. Температурный коэффициент  электрического сопротивления большинства  чистых металлов при комнатной температуре  приблизительно равен 0,4%, т. е. по величине он соответствует температурному коэффициенту расширения газа в газовом термометре. При точных измерениях (до 0,01 град) схема  измерения должна быть чувствительной к изменениям сопротивления в 0,004%. При высокой точности измерений  можно ощутить более чем на один порядок меньшие изменения  сопротивления. Таким образом, чувствительность термометров сопротивления достаточно высока для измерения величины изменения  температуры < 0,001 град.Термометры сопротивления  лишены ряда недостатков, присущих стеклянно-жидкостным термометрам, показания которых  зависят от температуры окружающей среды, депрессии стекол, погрешностей калибровки и др. Благодаря этому  термометры сопротивления применяются  при точных измерениях температур начиная  от окрестности абсолютного нуля до 1000° С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Список литературы

Преображенский В.П., «Теплотехнические  измерения и приборы», 3-е изд., перераб., М.: 1978.

Геращенко О.А., Федоров В.Г., «Тепловые и температурные измерения»: Справочное руководство. Киев: «Наукова думка», 1965.

Бриндли К. Измерительные  преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат. 1991.