Владимир 2013 г

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Изучение принципа действия и устройства термометров сопротивления и электронного автоматического моста.

2. Произвести проверку моста КСМ2 — 07

3. Произвести градуировку моста КСМ2 - 07 на новые пределы измерений с предварительным расчетом измерительной системы моста.

Устройство и работа термометров сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления основан на изменении электрического сопротивления проводника при изменении температуры. Зная зависимость сопротивления от температуры, можно по его измерению определить температуру среды, в которую помещен термометр сопротивления.

Известно, что при нагреве металлы увеличивают сопротивление от 0,4 - 0,6 % на 1 °С, а оксиды металлов (полупроводники) уменьшают своё сопротивление в 8-15 раз по сравнению с металлами. Графически это выглядит так (рис. 1). Зависимость сопротивления металлов от температуры в небольшом интервале температур определяется уравнением:

R_t = R'_t [1+α(t - t')]

где R_t - сопротивление металлического проводника при температуре R'_t - сопротивление того же проводника при температуре (t — t') - интервал измерения температур α – коэффицент температурного сопротивления.

Электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +700°С.

В комплект электрического термометра входят чувствительный элемент, измерительный прибор и соединительные провода. В качестве чувствительного элемента в термометре сопротивления применяется металлическая проволока (Сu, Pt), намотанная на изоляционный каркас и заключенная в защитный кожух (рис.2)

Рис.1 Зависимость сопротивления термометров сопротивления от температуры Сu – медный, Pt – платиновый, КМТ-полупроводниковый.

Рис.2 Платиновый термометр сопротивления

а) с подвижным штуцером

б) чувствительный элемент

Серийно выпускаемые в нашей стране термометры сопротивления приведены в таблице 1.

Чувствительными элементами полупроводниковых термометров сопротивления (термисторов) являются смеси окислов меди, марганца, магния, никеля, кобальта и др. Смеси двух-трех окислов со связывающими добавками измельчают, спекают и обжигают, придавая им форму небольших цилиндриков,

шайбочек или бусинок (рис.3). В торцы чувствительных элементов вжигают контакты. При увеличении температуры термометра его сопротивление резко уменьшается согласно зависимости:

, где

R - значение сопротивления при 293 К; Т - температура, К; В - постоянная, зависящая от свойств полупроводникового материала.

Таблица 1.

а) трубчатая (КМТ); б) дисковая (СТ5); в) цилиндрическая (ММС).

Технически серийно изготовляемые термисторы предназначены для измерений температур в диапазоне от -90 до +180°С.

В качестве вторичных приборов с термометрами сопротивления применяются обычно автоматические электронные равновесные мосты, реже логометры, неравновесные мосты и тестеры.

КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО МОСТА И ЕГО ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СХЕМА

Электронные уравновешенные мосты переменного тока предназначены для измерения, записи и регулирования (при наличии регулирующего устройства) температуры и других величин, измерение которых может быть преобразовано в изменение активного сопротивления. Прибор состоит из следующих основных блоков: корпуса, каретки с пером, усилителя, панели внешних коммутаций лентопротяжного механизма, регулирующего устройства, измерительного механизма.

В лентопротяжном механизме установлен синхронный электро-двигатель с редуктором. Нужную скорость продвижения диаграммной ленты получают, пользуясь инструкциями по эксплуатации.

Терморезисторы - нелинейные резисторы, изготовленные из полупро- водниковых материалов, имеющих большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС). У большинства терморезисторов ТКС отрицательный (-4,2 до - 8,4% / °С). Терморезисторы с положительным ТКС называют позисторами.

В зависимости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы разделяют на:

1. кобальто - марганцевые КМТ (начальное сопротивление R_H от 22 до 1000 кОм, ТКС от -4,2 до -8,4 интервал рабочих температур от -60 до +180°С);

2. медно - марганцевые ММТ (R-н- 1 - 220 кОм, ТКС от -2,4 до -5. -10 - +500 °С);

3. титанобариевые с положительным ТКС - СТ5 (R_H = 0,02 - 0,14 кОм, ТКС = 20, -20 - +200 °С).

В основу работы электронных автоматических мостов КСМ2 положен нулевой метод измерения сопротивления.

Измерительная схема автоматического электронного равновесного моста КСМ2 представлена на рисунке 4.

Рис. 4 Измерительная схема автоматического электронного равновесного моста.

К точкам подключен источник питания - напряжение переменного тока 6,3 В. Подключение термометра к прибору производится по трехпроводной схеме. В этом случае сопротивление проводов распределяется между двумя прилегающими плечами поста. Применение трехпроводной схемы для присоединения термометра снижает величину температурной погрешности, вызванной изменением сопротивления соединительных проводов R_Л) вследствие изменения температуры окружающего воздуха.

Измерительная схема уравновешенного моста состоит из резисторов, имеющих следующие назначения:

R_p - реохорд, калиброванное сопротивление,

r_ш - шунтирующее сопротивление, для ограничения тока, протекающего через реохорд,

r_k - резистор для задания верхнего предела измерений,

r_h - резистор для задания начала шкалы,

r1, R2, r3, R4 - постоянные сопротивления,

R6 - сопротивления в диагонали питания, для ограничения тока,

R_t - термометр сопротивления,

R_л - резисторы для подгонки сопротивления линии связи до 2,5 Ом.

При изменении температуры контролируемого объекта изменится сопротивление термометра R_t и нарушится равновесие измерительной схемы. В результате в измерительной диагонали моста появится напряжение разбаланса, которое доводится усилителем до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя. Ось двигателя при помощи шкива и троса связана с кареткой, на которой закреплен движок реохорда и указатель с пером записи.

Ротор реверсивного двигателя вращается до тех пор, пока существует сигнал, вызванный разбалансом схемы. Одновременно перемещается указатель прибора по шкале и движок по реохорду до наступления равновесия в измерительной схеме. В момент равновесия измерительной схемы положение указателя на шкале опре-

деляет значение измеряемой величины, т.е. температуру контролируемого объекта в данный момент времени.

РАСЧЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО МОСТА

Для расчета измерительной схемы равновесного моста должны быть заданы минимальный t_min и максимальный t_max пределы измерения температуры в °С и тип термометра сопротивления.

Зная пределы измерения и тип термометра сопротивления, находят по градуировочным таблицам минимальную Rt_min и максимальную Rt_тах величины сопротивления термометра. При измерении Rt_min движок реохорда должен находиться в точке а ', соответствующей началу шкалы. Учитывая, что термометр сопротивления Rt включен последовательно с реохордом в одно из плеч моста, движение равновесия измерительной схемы в этом случае возможно при условии:

R₂ • (R_tmin +R₃ + R_Л + R_np) = (R₁ +R_л)*R_H (1)

При измерении Rtmax движок реохорда должен находиться в точке а", соответствующей концу шкалы. При этом равновесие измерительной схемы соблюдается при выполнении следующего равенства:

R₂ •(R_tmax +R₃ +R_л) = (R₁ +R_Л)-(R_н + Rnp) (2)

Вычитая из условия (1) равенство (2), получим:

R₂*(R_tmax - R_tmin)= (R₁ + R₂ + R_л) • R_np

откуда:

Из уравнения (З) следует, что разность сопротивлений термометра, соответствующих верхнему и нижнему пределам шкалы, равная пределам измерения прибора, пропорциональна величине приведенного сопротивления реохорда. Следовательно, изменение пределов измерения прибора может быть осуществлено изменением величины приведенного сопротивления реохорда R_np, состоящего из трех параллельно включенных сопротивлений R_P, R_ш, R_K и определяемого по уравнению:

(4)

В автоматических электронных равновесных постах сопротивления реохорда и его шунта - величины постоянные и равные R_P = 258 Ом, а R_ш =137 Ом. Поэтому подгонка сопротивления R_np до требуемого значения, определяемого уравнением (3), осуществляется изменением величины сопротивления R_K, которую можно найти из уравнения (4)

Из уравнения (1) определяем величину сопротивления R_H, предназначенного для подгонки нижнего предела измерения прибора:

R₁= R₂ = 200 Ом, R₃ = 4,4 Ом, R_л= 2,5 Ом

Максимальная величина тока, протекающая через термометр сопротивления

определяется по уравнению:

где U_max максимальное напряжение на зажимах питания измерительной схемы моста. 6,3B = U_max

Максимально допустимая величина тока, исключающая самонагрев термометра равна 7-8 мА. При прочих равных условиях величина I_max зависит от величины R6, определяемой по уравнению:

Максимальное значение сопротивления R_б рассчитывается по уравнению (7) при I_max = 7 мА. Действительное значение сопротивления должно превышать R_бmin

R_л > R_6min

Полученные в результате расчета пределы измерения шкалы прибора могут несколько отличаться от заданных, так как сопротивления нерабочих витков реохорда и соединительных проводов при расчете не учитывались.

ПОВЕРКА ЭЛЕКТРОННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО МОСТА КСМ2

Блок-схема установки для проверки и градуировки прибора КСМ2-070 приведена на рис.6

Рис.6

r_h - магазин сопротивлений, заменяющий сопротивление

r_k - магазин сопротивлений, заменяющий сопротивление

R_t - магазин сопротивлений, имитирующий термосопротивление.

1. Установить на магазине сопротивлений R_K величину 71,3.

2. Установить на магазине сопротивлений R_H величину 13,2.

3. Установить на магазине сопротивлений R_t величину 5 Ом.

4. Пользуясь магазином сопротивлений R_t, плавно подвести стрелку прибора к
нулевой отметке на шкале.

5. Произвести проверку всех оцифрованных делений шкалы при
возрастающих и убывающих значениях сопротивлений.

6. По результатам измерений заполнить протокол, используя следующие
формулы:

а) абсолютная погрешность = R_{t изм} - R_{t ист}

б) приведенная погрешность

в) относительная погрешность

г) вариация В = R_{t изм} пр. х - R_{t изм}. обр. х.

Поиск по сайту: