Измерение температуры с помощью терморезистора

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Методические указания

к лабораторно-практической работе № 2

по курсу: «Радиоволновые, тепловые и оптические методы НК»

Цель работы № 2. Исследование прибора для измерения температуры на основе терморезистивного преобразователя (термометра сопротивления)

(используется методическое пособие ФОПИ-1, лаб.работа №4)

1. Общие сведения о методах измерения температуры

Измерение температуры с помощью терморезистора относится к контактным методам измерения температуры при тепловом неразрушающем контроле (ТНК). По механизму передачи энергии от объекта измерения к термопреобразователю измерение температуры с помощью терморезистора относится к термометрическим методам, хотя также существуют бесконтактные - пирометрические и спектрометрические методы измерения температуры.

Термометрические методы основаны на температурной зависимости свойств (например, удельного сопротивления проводников) различных веществ, используемых в качестве материала термопробразователя, который находится в непосредственном контакте с объектом исследования и температура которого принимается равной измеряемой температуре. Термометрические преобразователи по используемым свойствам подразделяются на терморезистивные, термисторные, термоэлектрические и интегральные.

Достоинством терморезистивных термометров сопротивления является линейность преобразования, меньшая инерционность, небольшие габариты и низкая стоимость.

Но нужно принимать во внимание следующие особенности термометров сопротивления при их практической эксплуатации:

1) эти приборы более хрупки по сравнению с термопарами;

2) за счет прохождения электрического тока термометры сопротивления могут значительно нагреваться, поэтому нужно использовать малые токи и металлы с высоким сопротивлением;

3) контакт термометра сопротивления с ОК может вызвать изменение его температуры за счет теплопроводности;

4) вследствие термоэлектрического эффекта может возникать термоэлектрическая ЭДС, что потребует её компенсации.

2. Методические погрешности контактных методов

Методические погрешности терморезистивного метода характерны для любых других контактных методов. Они возникают за счёт:

1) нагрева терморезистора, протекающим по нему током;

2) влияния изменения сопротивления соединительных проводов (линий);

3) нестабильности сопротивления терморезистора;

4) недостаточного теплового контакта между терморезистором и объектом измерения;

5) взаимодействия объекта измерения с терморезистором;

6) лучеиспускания терморезистора и другими факторами.

3. Принцип действия термометра сопротивления

Приборы для измерения температуры, в которых в качестве первичного измерительного преобразователя (ИП) используются терморезисторы, называются термометрами электрического сопротивления. Действие терморезистора основано на изменении его удельного сопротивления под действием температуры.

В качестве материалов для терморезисторов можно использовать:

1. Проводники: платину, медь, никель, вольфрам и др.

2. Полупроводниковые соединения: медно-марганцевые, кобальто-марганцевые и др.

3. Монокристаллические полупроводники: Ge и др.

4. Диэлектрики - тугоплавкие окислы: BeO, MgO, ZrO2, SiO2 и др.

В данной работе используется проводниковые терморезисторы.

В широком интервале температур сопротивление металлического проводника определяется выражением

RТ = R0 (1 + 1 Т + 2Т2 + 3Т3 + 4Т4 + ...),

где R0 - сопротивление образца при Т = Т0, (обычно Т0 = 0 0C) ; 1, 2, 3 ... - степенные температурные коэффициенты сопротивления материала терморезистора; Т = Т - Т0.

Наиболее широкое распространение получили медные (ТСМ), никелевые (ТСН) и платиновые (ТСП) термометры сопротивления.

Уравнение преобразования медных и никелевых терморезисторов в рабочем интервале температур выражается линейной зависимостью, поэтому градуировка термометров на ТСМ и ТСН получается несложной.

RТ = R0 (1 + RТ),

где: R = 4,26 10-3 К-1 - средний температурный коэффициент сопротивления (ТКС) меди;

R = 6,26 10-3 К-1 - средний температурный коэффициент сопротивления (ТКН) никеля;

R0 - сопротивление при 0 0С (среднее значение для меди ? 10 Ом, для никеля ? 300 Ом).

Медные термометры сопротивления (ТСМ) в основном применяются в диапазоне температур от -50 до +200 0С, а никелевые термометры сопротивления (ТСН) в диапазоне от -150 до +300 0С

Уравнение преобразования платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до 650 0С определяется выражением:

R Т= R0 (1 + 1Т + 2Т2),

где: R0 - сопротивление при 0 0С (среднее значение для меди ? 50 Ом);

1 = 3,90784 10-3 К-1; 2 = 5,7841.10-7 К-2,(среднее значение ТКС для платины 3,6510-3 К-1)

В диапазоне температур от 0 до -200 0С зависимость сопротивления платинового терморезистора от температуры имеет вид

RТ = R0 [1 + 1Т + 2Т2 + 3(Т- 100)3],

где: 3 = - 4,482.10-12 К-4. Поэтому градуировка платиновых термометров имеет особенности.

Платиновые термометры сопротивления чаще всего применяются в диапазоне температур от - 200 до +650 0С.

4. Основные характеристики терморезисторов

К характеристикам терморезисторов относятся:

- уравнение преобразования (см раздел 3);

- чувствительность S (определяется в лабораторной работе №1);

- номинальное сопротивление R0 (определяется в лабораторной работе №1);

- тепловая постоянная времени (определяется в лабораторной работе №1);

- тепловая постоянная измерительного прибора времени п;

- погрешности измерения температуры.

Одной из дополнительных характеристик металлических термометров сопротивления (ТС) является отношение W100 сопротивления ТС при 100 0С (R100) к сопротивлению при 0 0С (R0), т.е. W100 = R100 / R0. (также определяется в лабораторной работе №1).

В соответствии с ГОСТ 6651-94 для платиновых ТС W100 = 1,3850 - 1,3910, для медных ТС W100 = 1,4260 - 1,4280 и для никелевых ТС W100 = 1,6170.

Одной из важнейших характеристик терморезисторных приборов является тепловая постоянная времени п, характеризующая их тепловую инерцию прибора:

п = С/(F),

где: С - теплоемкость терморезистивного ИП; - коэффициент теплоотдачи;

F - поверхность терморезистора.

Постоянная времени п определяется при перенесении термодатчика прибора из среды с температурой Т0 в среду с температурой Т и для различных конструкций составляет от десятых долей до десятков секунд (металлические термометры сопротивления имеют п = (10 - 60) с, а постоянная времени п полупроводниковых термометров может составлять десятые доли секунды).

Номинальное сопротивление R0- это сопротивление терморезистора при температуре Т0. Для проводниковых металлических терморезисторов за номинальное сопротивление обычно выбирается сопротивление при температуре 0 0С, а если применяются полупроводниковые терморезисторы, то R0 определяется при 20 0С.

5.Измерительные цепи термометров сопротивления

Обычно измерение сопротивления резистивных термометров производится с помощью мостовой схемы, которая позволяет проводить измерения с высокой точностью. Питание измерительной цепи может осуществляться как на постоянном, так и на переменном токе.

Подключение терморезистора к измерительной цепи осуществляется с помощью линий связи. Наиболее просто терморезистор можно присоединить к измерительной цепи при помощи двухпроводной линии. Включение двухпроводной линией обычно применяется в тех случаях, когда преобразованию подлежат большие сопротивления, или когда терморезистор находится в непосредственной близости от измерительной цепи. При использовании двухпроводной линии часто возникают дополнительные погрешности за счет изменения сопротивления этой линии, например при изменении ее температуры. На рис. 1а показана эквивалентная схема двухпроводного включения. Питание терморезистора осуществляется от генератора стабильного тока (ГСТ). Вольтметр V измеряет падение напряжения на преобразователе. При выполнении условий RГ >> Rt, RЛ и RV >> Rt, RЛ (где RГ - выходное сопротивление ГСТ; RV - внутренне сопротивление вольтметра), напряжение на вольтметре будет равно U = I (Rt + 2RЛ). При этом показания вольтметра зависят не только от значения сопротивления терморезистора, но и от сопротивления линии связи RЛ. Поэтому изменение сопротивления линии связи приводит к появлению погрешности при измерении температуры.

Одним из путей уменьшения погрешности из-за изменения сопротивления линии связи является применение так называемых многопроводных (трех-, четырех- и т.д.) линий связи, в которых к терморезистору подводится более двух проводов. Использование трехпроводной линии связи, пример которой показан на рис. 1б, позволяет существенно снизить эту погрешность. В данном случае терморезистор подключается к мостовой цепи так, чтобы два сопротивления соединительной линии вошли в соседние плечи моста, а третье сопротивление линии оказалось включенным последовательно с источником питания. При подобном включении погрешность, обусловленная изменением сопротивления линии значительно ниже, чем при двухпроводной линии.

Рис. 1

Полностью исключить влияние сопротивления соединительной линии можно, используя четырех проводное включение терморезистора в измерительную цепь (рис. 1в). При выполнении условия RГ >> Rt, RЛ и RV >> Rt, RЛ падение напряжения на сопротивлении Rt будет равно U = IRt. Четырех проводная линия обеспечивает практически полную независимость показаний от сопротивления линии.

В данной работе нужно применить измерительную цепь с преобразованием сопротивления терморезистора в напряжение, включенного сначала при двухпроводной (рис. 2), а затем при четырехпроводной схеме (рис.3), а затем проанализировать получившиеся результаты измерений.

Рис. 2

Рис. 3

6.Погрешности термометра сопротивления

Основной погрешностью термометра сопротивления при двухпроводной схеме включения является погрешность, обусловленная изменением сопротивления линии, которая может быть найдена как:

или ,

где д = ДRЛ/RЛ - относительное изменение сопротивления линии.

При четырехпроводной схеме включения термопреобразователя погрешность из-за изменения сопротивления линии, определяется по формуле

,

измерение температура терморезистор погрешность

и для ее уменьшения необходимо выполнить условие R1>>RЛ.

Кроме этой погрешности существуют погрешности, которые обусловлены самим терморезистором. К ним относятся погрешности обусловленные:

1) отклонением характеристики от стандартной градуировочной таблицы;

2) нестабильностью характеристики R = f(T);

3) потерями тепла на лучеиспускание;

4) потерями тепла за счет теплопроводности защитной арматуры;

5) нагревом измерительным током.

Перечисленные погрешности относятся к классу статических.

Динамическая погрешность, обусловленная наличием тепловой инерции, проявляется вследствие запаздывания установления показаний термометра при скачкообразном изменении температуры. Численно тепловая инерция характеризуется параметром, который получил название постоянной тепловой инерции (или постоянной времени терморезистора ф).

Даже если эта погрешность ДТд, обусловленная инерционностью будет большая, то все равно она уменьшиться до нуля через бесконечно большое время.

7. Задание на работу

Запустить программу «termo» в папке «Лаб. раб № 4».

При запуске программы появляется основное окно программы. При нажатии кнопки «Параметры» появляется окно выбора варианта включения терморезистивного преобразователя (двухпроводное или четырех проводное) и задания параметров построения графика изменения температуры преобразователя во времени при скачкообразном уменьшении температуры.

В окне «Параметры схемы» задаются значения сопротивлений резисторов R1 - R7 схемы, значение напряжения UП и тока I0 для терморезистивного преобразователя, а в окне «Параметры термометра» параметры терморезистора (R0, ТКС, ), определенные по лабораторной работе №1. (Если лаб. работа №1 ещё не проводилась, то можно установить средние параметры для данного терморезистора приведённые в разделах 3 и 4).

Работа с медным образцом:

Произвести градуировку шкалы прибора для выбранного образца.

Градуировку провести поочередно: сначала для двухпроводной схемы схем включения терморезистивного ИП, затем для четырех проводной схемы.

Для двухпроводного включения установить ток I0 = 5 мА; UП = 12 В; R1 = 1000 Ом;

R2 = 3000 Ом; R3 = 1000 Ом; R4 = 500 Ом; R5 = 1000 Ом; R6=R7=0 Ом; RЛ = 5 Ом;

(для четырех проводной схемы - дополнительно установить значения R6 = 1000 Ом, R7 = 3000 Ом).

Установить значение измеряемой температуры ТХ = 0 0С, и выставить сопротивление медного образца, соответствующее ТХ = 0 0С (значения R0 брать из данных полученных в лабораторной работе №1).

В окне ТКС установить значения температурного коэффициента сопротивления (ТКС), а в окне «Постоянная тепловой инерции» - значение тепловой постоянной времени для медного терморезистора (значения ТКС и брать из данных полученных в лабораторной работе №1).

Изменяя сопротивление резистора R3 (для этого увеличивать значения в окошке R3 сначала через 1000 Ом, а затем через 100 и менее Ом), получить выходное напряжение на приборе UВЫХ = 0 мВ (стрелка выходного прибора должна находиться на нулевой отметке при установленном пределе измерения мВ). Если не получается точное значение 0 мВ, то допустимая погрешность ± 2 мВ. Записать получившееся значение R3.

Установить значение измеряемой температуры ТХ = 100 0С и, увеличивая сопротивление R5 (для этого увеличивать значения в окошке R5, сначала через 1000 Ом, а затем через 100 и менее Ом), установить стрелку прибора на конечную отметку шкалы 10 В (при установленном пределе измерения В). Если не получается точное значение 0 мВ, то допустимая погрешность ± 2 мВ. Записать получившееся значение R5.

Устанавливая значения температуры ТХ от 0 до 100 0С через 10 0С и записывать показания выходного прибора, определяя градуировку шкалы прибора в 0С. По результатам измерений построить градуировочный график.

Определить погрешность, обусловленную изменением сопротивления линии, для этого установить по заданному варианту температуру ТХ и снять показания прибора UИ (истинное значение). Затем, изменяя сопротивление линии RЛ на ±1 Ом от номинального значения RЛ = 5 Ом, опять снять показания прибора UЛ1 и UЛ2. По полученным экспериментальным данным определить погрешности из-за изменения сопротивления линии:

.

Выбрать в окне «Параметры» четырех проводную схему включения и произвести градуировку прибора, повторяя пп. 7.2.1. - 7.2.6.

Определить инерционность и постоянную тепловой инерции фП прибора при выбранном терморезисторе (схема включения роли не играет).

Определение инерционности и постоянной времени фП осуществляется по переходной характеристике. Для этого терморезистивный ИП должен быть быстро перемещен из температуры в 100 0С в среду с температурой 0 0С и при этом регистрируется процесс охлаждения преобразователя, для определения зависимости ТПР = F(t).

Предварительно необходимо задать параметры построения графика (Построение, К-во точек по оси Т, К-во точек по оси t), которые задаются в меню «Параметры» в верхней части основного окна программы по указанным в варианте.

Для наблюдения переходного процесса необходимо нажать клавишу «Смотреть переходный процесс» и установить параметры процесса (Время модуляции = 120 - 180 сек и установившаяся температура охлажденной среды = 0ОС).

После построения графика определить постоянную тепловой инерции фП, которая определяется отрезком времени, отсекаемым касательной, проведенной на графике переходной характеристики из начальной точке функции ТПР = F(t) (при 100 ОС), до пересечения с прямой ТПР = 0

Провести работу с никелевым образцом по методике п.7.2.

Провести работу с платиновым образцом по методике п.7.2.

Сделать выводы - о возможности применения предложенных образцов терморезисторов в использованных схемах измерения в качестве приборов для измерения температуры для следующих областей: авиация, цементная промышленность, агрокомплекс, медицина.

Оформить письменный отчет о работе. В отчете привести в виде таблицы полученные результаты и градуировочные графики.

Данные для работы:

Размещено на Allbest.ru