Виды термометров сопротивления

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Следящие системы с отрицательной обратной связью. Автоматически уравновешивающийся термометр сопротивления

В предыдущем параграфе мы рассмотрели уравновешенный термометр сопротивления. Измерять температуру с его помощью неудобно - ведь каждый раз при изменении температуры требуется настройка регулируемого сопротивления. Процесс измерения затрудняется и затягивается. Было бы желательно поручить настройку какому-либо автомату, а наблюдатель в этом случае только отмечал бы положение стрелки на шкале. Можно сделать еще удобнее - автоматически записывать показания термометра, например на ленте самописца. В этом случае наблюдателю остается только анализировать показания термометра.

Такие автоматы существуют и сейчас мы должны понять принцип их действия. Главное в них - способность к самонастройке, это реализуется отрицательной обратной связью. Поэтому рассмотрим прежде всего блок-схему следящей системы с отрицательной обратной связью (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прежде всего выделим некий источник информации - т.е. интересующий нас объект. Для метеоролога таким источником информации является атмосфера - или, по крайней мере, объем воздуха, в котором проводятся измерения. Измеряемый параметр - например, температура - воздействует на измерительную систему. Такой системой может быть, например, мостовая схема с терморезистором. Параметры этой измерительной системы изменяются при изменении измеряемого параметра. Ну, например, параметры мостовой схемы изменяются при изменении температуры - изменяется сопротивление терморезистора, схема становится неуравновешенной, появляется ток в измерительной диагонали моста. Будем говорить, что параметры измерительной системы должны соответствовать значению измеряемого параметра. Если же такого соответствия нет, то измерительная система генерирует некий сигнал - ток, напряжение или любую другую физическую величину. Поскольку этот сигнал генерируется только в случае несоответствия параметров измерительной системы и измеряемой величины, назовем его сигналом разбаланса. Сигнал разбаланса поступает на усилитель сигнала разбаланса (УСР) и после усиления - на исполнительный элемент. Задача исполнительного элемента - изменить параметры измерительной системы. Пока на исполнительный элемент поступает команда - сигнал разбаланса - он будет изменять параметры измерительной системы. Но в результате этих изменений параметры измерительной системы становятся соответствующими измеряемой величине. Тогда сигнал разбаланса исчезает, и исполнительный элемент прекращает свою работу.

Мы видим, что во-первых, система сама себя настраивает, потому что с помощью сигнала разбаланса изменяются параметры измерительной системы, которая сама и генерирует этот сигнал! Налицо, таким образом, обратная связь - сигнал разбаланса в измененном виде возвращается к системе, генерирующей его. Будем говорить, что эта обратная связь отрицательная, так как в результате ее действия сигнал разбаланса исчезает. Если бы он усиливался, то такая обратная связь была бы положительной. Положительная обратная связь также применяется в измерительной технике.

Возможна и другая цепь обратной связи. Исполнительный элемент воздействует не на измерительную систему, а на источник информации - например, понижает температуру замкнутого объема воздуха. Когда температура воздуха в объеме превысит желаемую величину, исполнительный элемент понижает ее, а когда она становится равной той, на которую настроены параметры измерительной системы, исполнительный элемент выключается. Так работает, например, домашний холодильник. На рис. 1 эта связь показана пунктиром.

Следящие системы с отрицательной обратной связью широко применяются в технике. По этому же принципу работают системы автоматической стыковки космических аппаратов, автопилоты самолетов и т.п. Такие системы будут очень часто встречаться в метеорологических измерительных приборах.

Теперь рассмотрим, как можно реализовать этот принцип для измерения температуры с помощью автоматически уравновешивающегося термометра сопротивления. Одна из возможных схем такого термометра показана на рис. 2.

Наиболее важной частью схемы является мост, образованный резисторами R(t), R3, r1 и r2. Отличие от классической мостовой схемы состоит в том, что в данном случае при настройке одновременно изменяются два плеча - r1 и r2. Они объединены одним переменным резистором, он называется реохордом. Итак, изменяя плечи реохорда r1-r2, можно уравновесить мост. Как же это происходит? Прежде всего, обратим внимание, что схема питается переменным током от источника, показанного значком ““ в нижней части схемы. Это может быть, например, сетевое питание. Но, как мы знаем, для питания мостовой схемы нужно использовать пониженное напряжение, поэтому в цепь питания включен понижающий трансформатор Т. Пониженное напряжение подается на мостовую схему.

Предположим, что схема вышла из положение равновесия - например, в результате изменения температуры. Тогда в измерительной диагонали схемы будет сигнал разбаланса - переменное напряжение. Оно усиливается усилителем и подается на реверсивный двигатель, являющийся исполнительным элементом схемы. Реверсивный двигатель состоит из ротора и статора (ротор - вращающаяся часть двигателя, статор - неподвижная часть). Ротор представляет собой железный сердечник, а статор состоит из двух обмоток (катушек) L1 и L2. Ротор вращается только в том случае, когда на обе обмотки подано переменное напряжение, причем напряжения на обмотках должны быть сдвинуты по фазе на 90⁰. Первоначальный сдвиг фазы уже есть - его обеспечивает конденсатор С в цепи питания обмотки L2. Значит, когда на обмотку L1 поступит сигнал разбаланса, двигатель будет вращаться. Он будет передвигать каретку самописца, перо которой вычерчивает линию на бумаге. Вместе с ней будет двигаться и реохорд r1-r2, уравновешивая мостовую схему. Когда равновесие моста будет достигнуто, сигнал разбаланса станет равным нулю, двигатель перестанет вращаться, реохорд прекратит свое движение, а перо каретки самописца остановится на отметке, соответствующей температуре в данный момент. При изменении температуры изменится сопротивление терморезистора R(t), снова возникнет сигнал разбаланса, что приведет к движению реверсивного двигателя и уравновешиванию моста в новом положении реохорда и каретки самописца.

Таким образом, автоматически уравновешивающийся термометр сопротивления представляет собой пример следящей схемы с отрицательной обратной связью.

Рассмотрим теперь вопрос - почему реверсивный двигатель вращается в разные стороны в зависимости от того, в какую сторону изменяется температура? Ведь очевидно, что если температура увеличивается, то двигатель должен вращаться в одну сторону, а если уменьшается - то в другую. Соответственно изменяется и направление движения каретки самописца.

Вообще говоря, направление движения реверсивного двигателя определяется знаком разности фаз напряжений на обмотках L1 и L2. На рис.3 показаны графики возможных напряжений на обмотках. (Будем называть такие графики, построенные без указания величин на осях, эпюрами). Очевидно, что напряжение на обмотке L2 не может зависеть от изменения температуры, т.к. поступает прямо с источника питания. Следовательно, для того чтобы обеспечить изменение направления вращения реверсивного двигателя, напряжение на обмотке L1 должно изменяться по фазе на 180⁰ в зависимости от того, увеличивается температура, или уменьшается. Докажем это.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Итак, предположим, что мост вышел из равновесия в результате увеличения температуры. Предположим также, что в данный момент времени напряжение на левой вершине моста положительно. Тогда для тока из левой вершины возможны два пути - через сопротивление R(t) или через часть реохорда r1. Сопротивление R(t) возросло в результате увеличения температуры, следовательно больший ток пойдет через r1 и в нижней части измерительной диагонали будет положительное напряжение. В обратном случае - если температура уменьшилась - сопротивление R(t) тоже уменьшится, больший ток идет через R(t) и в нижней части измерительной диагонали будет отрицательное напряжение. Следовательно, в измерительной диагонали должен меняться знак в зависимости от направления изменения температуры, а в случае переменного напряжения - его фаза - см. кривые 1 и 2 на рис. 3.

2. Неуравновешенный термометр сопротивления

следящий термометр сопротивление

Как мы уже знаем, мостовая схема может быть и неуравновешенной. В этом случае ток в измерительной диагонали не равен нулю и зависит от измеряемого сопротивления. Если в качестве измеряемого сопротивления применить терморезистор, то ток будет зависеть от температуры.

Принципиальная схема неуравновешенного термометра сопротивления показана на рис. 4. Она почти не отличается от уравновешенного термометра.

Напишем выражение для тока в измерительной диагонали моста:

,

где R2=R3=R4=R, U - напряжение, подаваемое в диагональ питания моста, Rg - внутреннее сопротивление измерительного прибора. С учетом зависимости сопротивления терморезистора Rt от температуры эта формула приобретает вид:

(2.1)

Теперь введем понятие чувствительности неуравновешенного термометра сопротивления. Выходным параметром в данном случае является сила тока i, следовательно, согласно общему определению чувствительности прибора:

. (2.2)

Последнее приближенное равенство можно написать с учетом R₀ R. Итак, для увеличения чувствительности термометра следует брать терморезистор, изготовленный из материала с большим коэффициентом . Анализируя формулу (2.2), можно подумать, что для увеличения чувствительности следует увеличивать напряжение питания U, но мы уже знаем, что этого делать нельзя! При увеличении напряжения питания возрастает нагрев терморезистора электрическим током и термометр будет измерять температуру с большой погрешностью.

Эта дилемма - “чувствительность или погрешность?” - очень часто встает при конструировании измерительных приборов. Она решается всегда одинаково - предпочитают создать прибор с малой погрешностью, пусть даже ценой уменьшения чувствительности! Действительно - кому нужно сверхточное измерение, если известно, что оно сделано с большой погрешностью?

Перечислим теперь специфические погрешности неуравновешенного термометра сопротивления. Две из них мы уже знаем - это нагревание датчика электрическим током и изменение сопротивления идущих к датчику проводов. Пути уменьшения этих погрешностей мы также изучили в разделе 1.2.

Третья погрешность - нагрев измерительного прибора электрическим током и изменение его внутреннего сопротивления. Для уменьшения этой погрешности можно рекомендовать те же способы, которые были перечислены выше для ликвидации нагрева датчика.

Четвертая погрешность - возможное изменение ЭДС источника питания. Действительно, формула (2.1) показывает, что значение тока прямо зависит от подаваемого на мост напряжения. Вот это последнее обстоятельство и открывает путь ликвидации погрешности - ведь под буквой U в формуле имеется в виду не ЭДС источника питания, а только напряжение, подаваемое в диагональ питания моста! Его можно регулировать, для этого в схему (рис. 4) включен потенциометр R5. Перемещая ползунок потенциометра вправо, можно увеличивать напряжение питания моста в случае, если ЭДС источника питания почему-либо уменьшилось. Разумеется, напряжение питания моста необходимо контролировать. Для этого в схему включен вольтметр V.

Однако, два измерительных прибора (гальванометр и вольтметр) в такой простой схеме - это непозволительная роскошь, стоимость прибора сильно возрастет. Поэтому чаще делают по-другому. С помощью ключа (на рис. 4 эта часть не показана) вместо сопротивления R(t) включают другое, контрольное сопротивление R_К. Тогда прибор, включенный в измерительную диагональ моста, покажет ток, значение которого легко определить по формуле 1.4.1 путем подстановки R_К вместо Rt:

(2.3)

Видно, что в формулу (2.3) входят лишь постоянные величины, следовательно, значение тока i определяется напряжением U. Если известно значение напряжения, при котором производилась градуировка термометра, то известно и значение контрольного тока! Чаще всего это значение отмечают на шкале измерительного прибора специальной риской. Если при включении контрольного сопротивления измерительный прибор показывает отмеченное значение тока, то напряжение U соответствует норме, а если нет - его регулируют потенциометром R5, добиваясь того, чтобы стрелка стала на отмеченную риску. Так осуществляется контроль напряжения питания в дистанционной метеорологической станции М-49.

3. Дифференциальный термометр сопротивления

Иногда в метеорологии необходимо измерить не само значение температуры, а разность двух ее значений - например, разность между сухим и смоченным термометрами. Для этого также можно применить мостовую схему (рис. 5).

В двух смежных плечах мостовой схемы включены абсолютно одинаковые терморезисторы R(t1) и R(t2). Сопротивления двух других плеч также выбираются равными: R3=R4. Разумеется, при равенстве температур R(t1)=R(t2) и мостовая схема находится в равновесии, ток в измерительном приборе равен нулю. Но если t1t2, то в измерительной диагонали появляется ток, значение которого легко вывести из формулы 1.4.1, приняв в числителе

R = R₀(1+t₂):

. (3.1)

Или, с учетом R₀ R :

(3.2)

Таким образом, ток в измерительной диагонали связан прямой зависимостью с разностью температур. Шкала измерительного прибора в этом случае градуируется в единицах разности температур.

Разумеется, возможны иные варианты - уравновешенный дифференциальный термометр сопротивления или автоматически уравновешивающийся дифференциальный термометр.

Размещено на Allbest.ru