Приборы работающие в комплекте с термометрами сопротивления

Приборы, работающие с термометрами сопротивления и термоэлектрическими преобразователями

Для измерения термо-ЭДС, развиваемой термоэлектрическими термометрами, используются магнитоэлектрические милливольтметры, потенциометры и нормирующие преобразователи.

В практике технических измерений температуры с использованием термопреобразователей сопротивления широкое применение нашли мосты (уравновешенные и неуравновешенные), логометры и нормирующие преобразователи.

Для точных измерений температуры и метрологической аттестации термопреобразователей сопротивления получили применение мосты постоянного тока.

Милливольтметры

Милливольтметрымагнитоэлектрические приборы, ра­бота их основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита.

Рисунок 8 — Милливольтметр:

1-магнит, 2-сердечник, 3-спиральная пружинка, 4-рамка, 5-добавочный резистор

Магнитная система милливольтметра состоит из магнита 1, полюсных на­конечников и цилиндрического сердечника 2. В кольцевом воз­душном зазоре между полюсными наконечниками и сердечни­ком вращается рамка 4 из медного или, реже, алюминиевого изо­лированного провода. Чаще всего рамки крепятся на кернах, которые опираются на подпятники из агата или рубина. Мо­мент, противодействующий вращению рамки, создается спираль­ными пружинами, которые одновременно служат и для подво­да тока к рамке.

На конце стрелки подвешиваются грузики, которые уравновешивают подвижную систему так, что центр тяжести находится на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вы­зывает появление двух одинаковых сил, направленных в раз­ные стороны и стремящихся повернуть рамку.

Сила тока протекающего по рамке определяется т.э.д.с. термоэлектрического преобразователя Ex и сопротивлением электрической цепи R:

Сопротивление цепи складывается из сопротивления преобразователя Rт, сопротивления соединительных проводов Rc.п и сопротив­ления рамки Rp

R=Rт+Rс.п+

Тогда угол поворота определяется по формуле:

φ = kEx/( Rт+Rс.п+)

Из этого уравнения следует, что для получения однознач­ной зависимости угла поворота рамки со стрелкой от т. э. д. с. необходимо, чтобы сопротивление цепи оставалось всег­да постоянным. Но если при стационарных условиях работы милливольтметра сопротивление рамки Rp можно считать прак­тически постоянным, то сопротивление ТЭП колеблется при измерении измеряемой температуры. Сопротивление со­единительных проводов Rc.n при изменении температуры окру­жающей среды также приводит к появлению погрешности из­мерения.

Для снижения погрешности измерения увеличивают сопротивление цепи последовательным подключением к рамке дополнительного сопротивления Rд (рис. 9) в виде катушки из манганиновой проволоки (с практически неизменя­ющимся сопротивлением при изменении температуры). Для получения правильных показаний дейст­вительное значение

Rв= Rт + Rc.п

должно соответствовать расчетному.

Рисунок 9 — Схема включения соединительных проводов

Потенциометры

Принцип действия потенциометров (рис.10) основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой т.э.д.с. изве­стной разностью потенциалов. Эта разность потенциалов со­здается в потенциометре посторонним источником энергии.

Сигнал с термопары E(t2t) сравнивается с компенсирующем напряжением Uк, снимаемым с диагонали неуравновешенного моста.

Мостовая схема является более усовершенствованной (по сравнению с милливольтметром) и позволяет постоянно вводить коррекцию на изменяющуюся температуру свободных концов.

Если E(t2t) не равно Uк, то на вход вибропреобразователя (ВП) подаётся сигнал разбаланса :

В вибропреобразователе преобразуется сигнал напряжения постоянного тока в электрический сигнал переменного тока, который затем усиливается в усилителе (>) и подаётся на реверсивный двигатель (РД).

РД перемещает одновременно движок реохорда и стрелку относительно шкалы прибора. Изменение положения движка реохорда приводит к такому изменению Uк, которое влечёт за собой изменение измеряемой т.э.д.с., т.е. устанавливается равенство или

На вход усилителя поступает нулевой сигнал и РД остаётся в том же положении, т.е. прибор автоматически компенсирует измеряемый сигнал с известным напряжением.

Потенциометр – многоточечные приборы (от 3 до 24 датчиков), самопишущие, показывающие, имеют блок сигнализации и блокировки.

Типы – КСП1, КСП2, КСП3, КСП4, ФЩЛ.

Рисунок 10 — Схема упрощённого автоматического потенциометра

Логометры

Логометры предназначеныдля измерения темпе­ратуры с помощью термометров сопротивления. Логометры по­строены по принципу сравнения сил токов в цепях термометра и постоянного сопротивления.

Рисунок 11 — Принципиальная (а) и электрическая (б) схемы логометра

Логометр представляет собой двухрамочный магнитоэлектрический миллиамперметр. Подвиж­ная часть его (рис. 11, а) состоит из двух рамок 1 и 2, жест­ко скрепленных одна с другой и соединенных со стрелкой, ко­нец которой перемещается вдоль шкалы. Рамки охватывают неподвижный сердечник С и могут перемещаться в зазоре пе­ременной ширины между полюсами S и N постоянного магнита и сердечника. Вся подвижная система укреплена по центру сердечника, обычно на керновых опорах. Обе рамки питаются от общего источника постоянного то­ка Б с напряжением Еб. Последовательно с рамкой 1 включа­ется постоянное сопротивление Rк, а последовательно с рам­кой 2—термометр Rt.

Магнитные моменты, возникающие в рамках, соответствен­но равны

где k1и k2 постоянные коэффициенты, определяемые геометрическими раз­мерами рамок и числом витков проводов в них;

B1и В2 магнитные индук­ции в местах расположения рамок.

В различных точках зазора переменной ширины магнитная индукция будет различной. Отношение индукций B1:В2 для жестко скрепленных рамок зависит от угла поворота рамок:

В положении равновесия, когда:

магнитные моменты рамок будут равны

Откуда угол поворота рамок

или, учитывая, что Rp’, Rp’’ и практически постоянны

Для повышения чувствительности реальных схем включают рамки логометра Rp’ и Rp’’ в диагональ неуравновешенного мо­ста с постоянными сопротивлениями R1, R2 и R3 (рис. 11,6). Манганиновое R4 и медное R5 сопротивления служат для умень­шения общего температурного коэффициента логометра (при изменении температуры окружающей среды).

Типы логометров: Л-64, ЛР-64, Ш-6900.

Мосты

Для измерения сопротивления термометров можно применять обычные в электротехнике мостовые схемы: уравновешенные и неуравновешенные.

Простейшая схема уравновешенного моста показана на рис. 9.

Рисунок 12 — Простейший уравновешенный мост.

Термометр сопротивления Rt и расположенные последовательно с ним два сопротивления соединительных линий включены в плечо СВ мостовой схемы. В диагональ DB моста подаётся напряжение от батареи Б. Изменяя сопротивления R3, добиваются равенства напряжения в точках А и С, что подтверждается отсутствием тока в диагонали АС гальванометром G.

Сопротивление линии 2Rл с помощью подгоночной катушки устанавливаются постоянными. Сопротивления R2 и R1 постоянны и выполнены (так же как и сопротивление R3)из манганина.

Мостовая схема, изображенная на рис. 12, обладает высокой точностью измерения и практически не зависит от напряжения батареи Б. При нулевом отсчете по гальванометру, отпадают погрешности, обусловленные температурой окружаю­щей среды и посторонними магнитными воздействиями.

Схема уравновешенного моста с трёхпроводным включением термометра сопротивления представлени на рис. 13.

Рисунок 13 — Уравновешенный мост с трёхпроводным включением термометра сопротивления

В этой схеме передвижной контакт не относится к сопротивлению плеча АВ, а включен в диагональ СА, сопротивление которой в момент отсчета (при нулевом токе) практически не имеет значения. Для устранения влияния возможного изменения сопротивле­ния соединительных линий питание моста (точка В) пере­несено непосредственно к термометру. В трехпроводных схемах сопротивление каждой линии доводится до установленного значения с по­мощью отдельных подгоночных сопротивлений в каждой линии. Недостаток уравновешенных мостовых схем (необходимость выполнения ручных манипуляций) устранен в схемах неуравно­вешенных мостов.

На рис. 14 показана схема неуравновешенного моста для измерения сопротивления Rt, включенного по трехпроводной схеме.

Рисунок 14 — Неуравновешенный мост

В диагональ моста СА включается вместо гальванометра миллиамперметр тА. Напряжение питания моста в диагона­ли BD должно поддерживаться постоянным. Контроль напря­жения в диагонали BD осуществляется включением контроль­ного сопротивления Рк. (при положении 2 переключателя).

Для установленного значения напряжения при постоянных сопротивлениях плеч R1, R2, R3 и R4 ток в диагонали СА будет иметь определенное значение, что контролируется миллиампер­метром. Отклонение от установленной величины тока корректи­руется сопротивлением Rрег.

После того как установится напряжение ЕБD в точкахВ и D, переключатель ставят в положение 1 и измеряют сопротив­ление Rt.

Вторичные приборы, работающие в комплекте с термометрами сопротивления

Логометры. Логометры — приборы магнитоэлектрической системы с двумя скрещенными и жестко скрепленными между собой рамками. Они предназначены для работы с медными и платиновыми термометрами сопротивления в интервале температур от -200 до

В кондитерской промышленности используются логометры с пределами показаний, приведенными в табл. 45.


Таблица 44


Таблица 45

Показывающие логометры предназначены для щитового монтажа и имеют профильную шкалу. Выпускаются логометры типа ЛПр-53

класса 1,5 и типа ЛПр-54 класса 1,0. Последний предназначен для работы во взрывоопасных помещениях и питается постоянным током напряжением 1,5 в от сухого элемента ЭС-Л-30. Логометр Л Пр-53 питается от специального источника постоянного тока напряжением 4 в.

Показывающие и регулирующие логометры типа ЛР1 созданы на базе логометра ЛПр-53 и имеют фотоэлектрические контактные устройства. Логометр ЛР1-02 — двухпозициониый, с одним задатчиком. Логометр ЛР1-01-трехпозиционный, с двумя задатчиками. Габариты показывающих логометров: 295*210*125 мм.

Самопишущий щитовой логометр ЛСШПр-018 с профильной шкалой имеет следующие модификации:

ЛСШПр-01-18 — для записи температуры в одной точке;

ЛСШПр-02-18 — для записи и двухпозиционного регулирования температуры в одной точке;

ЛСШПр-03-18 — для записи и трехпозиционного регулирования температуры в одной точке;

ЛСШПр-06-18- для записи температуры в двух — шести точках.

Запись производится на диаграммной ленте шириной 120 мм. Скорость записи 20, 40 и 80 мм/ч. Класс точности прибора: показание 1,0; запись 7,5. Габариты: 307*243*220 мм. Изготовитель — Ереванский приборостроительный завод.

Электронные уравновешенные автоматические мосты. Автоматические мосты предназначены для измерения электрического сопротивления датчика температуры (термометра сопротивления) методом уравновешивания мостовой измерительной схемы.

Измеряемое сопротивление включается в одно из плеч мостовой схемы. При изменении измеряемой температуры меняется сопротивление датчика, что нарушает равновесие измерительной схемы. Сигнал разбаланса подается на вход электронного усилителя и после усиления приводит в действие реверсивный двигатель, который в свою очередь перемещает движок измерительного реохорда в таком направлении, чтобы восстановить равновесие измерительной схемы. Таким образом положение движка на реохорде соответствует величине сопротивления термометра или измеряемой температуры. Одновременно с движком реохорда реверсивный двигатель перемещает также показывающую стрелку, записывающее и регулирующее устройство. Питание измерительной схемы мостов может осуществляться или от одной из обмоток силового трансформатора, или от сухого элемента. По этому признаку приборы подразделяются на мосты переменного и постоянного тока. Последние применяются только тогда, когда использование переменного тока для питания измерительной схемы не допускается (по условиям пожаробезопасности).

Поскольку в момент равновесия моста колебания питающего напряжения не влияют на точность показаний, погрешность при измерении температуры автоматическими мостами меньше, чем у лого-метров. Большинство автоматических мостов имеет класс точности по показаниям 0,5, а по записи 1,0.

В кондитерской промышленности используются автоматические мосты с пределами показаний, приведенными в табл. 46.

Наибольшее распространение получили автоматические мосты следующих типов.

Показывающие мосты. 1. ЭМВ2 — малогабаритные с вращающейся цилиндрической шкалой. Развернутая длина оцифрованной части шкалы составляет 660 мм. Кроме одноточечных приборов, выпускаются многоточечные на 6 и 12 точек. В этих приборах поочередное подключение термометров сопротивления производится вручную кнопочным переключателем, вмонтированным в корпус прибора. Габариты (ширина X высотах глубина): 332*236*352 мм. Изготовитель — завод «Мукачевопрнбор».

Читайте также  Приборы для измерения переменного напряжения


Таблица 46

2. МП — миниатюрные с плоским круглым циферблатом. Длина шкалы 315 мм. Габариты: 204*190*410 мм. Изготовитель — завод «Автоматика» (г. Кировакан).

Самопишущие мосты отличаются от показывающих наличием устройства автоматической записи, которая производится на дисковой или многоленточной диаграмме, приводимой в движение синхронным двигателем.

1. Мосты с записью на дисковой диаграмме диаметром 300 мм (одноточечные): ЭМД (Московского завода «Манометр»). Габариты: 420*506*300 мм; ЭМ-120 и ЭМ-107 (Челябинского завода «Тепло- прибор») со временем прохождения стрелкой всей шкалы соответственно за 20 и 7 сек. Габариты: 425*462*360 мм. Время одного оборота диаграммы — 24 ч.

2. Мосты с записью на ленточной диаграмме (одноточечные и многоточечные):

ЭМП-209 — ширина диаграммы 273 мм (класс точности по записи 0,5). Скорость движения диаграммы 50-1440 мм/ч (у приборов со временем пробега кареткой всей шкалы за 8 сек) и 60-9600 мм/ч (у приборов со временем пробега 2,5 сек). Многоточечные мосты ЭМП-209 осуществляют запись в 3, 6, 12 или 24 точках. Габариты: 507*501*387 мм. Изготовители — завод «Леитеплоприбор» (Ленинград) и завод «Электроавтоматика» (г. Йошкар-Ола).

ACM — суточные приборы с записью температуры на ленточной диаграмме шириной 275 мм, наложенной на вращающийся барабан. Время одного оборота барабана 8, 24 и 72 ч. Габариты прибора: 420*287*352 мм. Изготовитель — Московский завод «Манометр».

MCI-малогабаритные, ширина диаграммной ленты 160 мм. Скорость движения диаграммы 20-360 мм/ч. Многоточечные приборы осуществляют запись в 2, 3, 6 и 12 точках. Габариты: 330Х287Х Х315 мм. Изготовитель — Львовский приборостроительный завод.

МСМ2 — миниатюрные, одноточечные, ширина диаграммной ленты 100 мм. Класс точности 1,0 (по показаниям и записи). Скорость движения диаграммной ленты 20, 60 или 120 мм/ч. Габариты: 186*186*440 мм. Изготовитель — завод «Автоматика» (г. Кировакан).

Помимо измерения и записи температуры электронные автоматические мосты могут осуществлять также и регулирование температуры. Для этой цели они оснащаются различными видами регулирующих устройств.

1. Мосты с электроконтактными двух- и трехпозиционными регулирующими устройствами.

2. Мосты с реостатным выходом в комплекте с электрическими регулирующими устройствами и электрической обратной связью — могут осуществлять пропорциональное или изодромное регулирование. В первом случае обычно используется балансное реле Бр-3 или пропорциональный регулятор ПР-220 и во втором — изодромный регулятор ИР-130 или регулятор РУ4-16А.

3. Мосты с пневматическим изодромным регулятором, который встраивается в корпус прибора: ЭМД (мод. 4806 и 4821), ACM (мод. 8503 и 8504) и ЭМП-209-13.

Преобразователи измерительные (нормирующие) предназначены для преобразования термоЭДС ТП, ЭДС первичных преобразователей постоянного тока и сопротивления ТС в унифицированные электрические выходные сигналы постоянного тока (0—5 и 4—20 мА, 0—10 В).

Технические характеристики приборов приведены в таблице 3.12.

Каждая модификация нормирующего преобразователя, исключая П282, выпускается на свой предел измерения по входу и выходу. Все описанные в параграфе приборы являются одноканальными.

Принцип действия преобразователей основан на статической автокомпенсации.

Сигнал от измерительного преобразователя (первичного) поступает на измерительный мост и далее на входной усилитель, выполненный по схеме модулятор-демодулятор. Демодулированный сигнал усиливается выходным усилителем постоянного тока, выходной ток которого поступает на нагрузку и в устройство обратной связи.

Входные и выходные цепи не имеют гальванической связи с цепями питания и между собой.

Для уменьшения влияния помех соединительные провода входных и выходных цепей необходимо прокладывать в трубах или гибких стальных шлангах, изолированных от земли. Совмещение входных и выходных цепей в одном экране (или кабеле) недопустимо.

Таблица 3.12. Технические характеристики измерительных преобразователей (нормирующих) для термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей сопротивления

Тип Основная погрешность, % Сопротивление, Ом Сопротивление цепи выхода (нагрузка и линия связи), кОм Амплитуда пульсации выходного сигнала, % Потребляемая мощность, В·А Быстродействие, с Габаритные размеры, мм Масса, кг
входной цепи (оба провода линии связи и термоэлектрический преобразователь) линии связи с термопрсобразователем сопротивления (каждый провод) для выхода
0—5 мА 4—20 мА 0—10 В
Ш78 0,4—1,0 2,5 0,2—0,5 0,5 60×160×355
Ш79 0,4—0,6 0,2—0,3
П282 0,5; 1,0 300 * 0,6 77×260×200
Ш703 0,53—1,35 0,5 0,5 60×160×350 3,5
Ш705 0,5—1,12 30 **
Примечания: 1. Значения зависят от номинальной статической характеристики и пределов измерения (графа 2). 2. Проценты принимаются от верхнего предела измерения выходного значения сигнала (графа 8). 3. Быстродействие — это время, в течение которого выходной сигнал входит в зону предела допускаемой основной погрешности при изменении входного сигнала от нуля до 100 % или наоборот (графа 10).
* Максимальная длина проводов в 250 метров является ограничением сопротивления, при этом индуктивность линии связи не более 10¯³ Гн.
** Линия связи должна иметь индуктивность не более 10 − ³ Гн и ёмкость — не более 0,25 мкФ.

Приборы предназначены для щитового монтажа. Измерительные преобразователи для ТС оснащены сопротивлениями для подгонки сопротивления линий связи; подключение осуществляется по трехпроводной схеме.

Нормирующие преобразователи в искробезопасном исполнении оснащены входными искробезопасными цепями уровня «ia», выполненными в соответствии с ГОСТ 22782.5—78.

Нормирующие преобразователи устанавливают вне взрывоопасных зон.

Первичные преобразователи (ТП и ТС) обыкновенного исполнения, не имеющие собственных источников питания, сосредоточенных индуктивностей и емкостей и работающие в комплекте с нормирующим преобразователем в искробезопасном исполнении, предназначены для работы во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок.

Искробезопасность нормирующего преобразователя не нарушается при подключении к выходу нагрузки, имеющей собственный источник питания от сети.

Приборы служат для работы при температуре окружающего воздуха 5—50 °С, исключая приборы типа Ш78 и Ш79, которые работают при температуре 5—60 °С; относительная влажность воздуха до 80 %.

5. Автоматизация измерений температуры в ИК ИИС термометрами со­противления.

6. Пирометры излучения: квазимонохроматические

Приборы, работающие в комплекте с термопреобразователями сопротивления.

1. Неравновесные мосты.

3. Равновесные мосты.

Неравновесные мосты.

Недостатки: нелинейная статическая характеристика, выходной сигнал зависит от питания.

Rл – сопротивление линии

Rэ – эталонное сопротивление (в рабочем режиме закорочено)

Перемычку переносят на Rt, чтобы проконтролировать стабильность источника питания.

Rэ равно значению термометра в середине шкалы (там красная черта). Есть материал манганин, не меняющий α при изменении температуры. Он используется для изготовления плеч моста и Rэ.

Логометры.

Логометр – прибор магнитоэлектрической системы, подвижная часть которого выполнена в виде двух жестко скрепленных между собой под некоторым углом рамок, находящихся в поле постоянного

При протекании токов по рамкам возникают вращающие

моменты, направленные навстречу друг другу.

В – магнитные индукции в зазорах

С –коэффициенты, зависящие от конструкции рамок и

учитывающие краевые эффекты магнитного поля.

Вся система остановится, когда М1 = М2

= f(α) — функция угла поворота, где

Уравновешивание происходит из-за переменной индукции в зазоре.

— угол поворота стрелки

= f(α)

Т.о. логометры нечувствительны к напряжению питания. В систему включают слабую пружину, чтобы при отключении питания стрелка возвращалась в исходное состояние.

Как правило, сам логометр включают в диагональ неравновесного моста, для того, чтобы можно было менять пределы измерения и для введения поправки, исключающей погрешности показаний при температурном изменении сопротивления рамок.

Класс точности 1 – 1,5.

Вопрос № 1.6. Равновесные мосты.

В них одно из плеч выполняют в виде переменного сопротивления, которое

НИ – нуль-индикатор (гальванометр) – регистрирует момент равновесия.

RЛ – сопротивление линии.

— условие равновесия.

— нелинейная характеристика.

Следовательно, реохорд нужно включать в смежном плече с термометром.

Здесь — это недостаток, т.к. может возникнуть погрешность из-за

изменения сопротивления линии (из-за температуры). Для устранения влияния изменения сопротивления линии на показания используют

трехпроводную схему подключения термометра.

В условие равновесия не входит Е, следовательно, равновесные мосты нечувствительны к изменению

Силу тока ограничивают 4-8 мА, чтобы не было самонагрева термометра.

Схема автоматического моста.

Все сопротивления из манганина (кроме Rt).

RР – сопротивление реохорда

RЭ – эквивалентное сопротивление реохорда (100 Ом)

RПР – приведенное сопротивление

RШ –сопротивление шунта

Rн – нагрузка – ограничивает силу тока, проходящего через термометр.

R – подбирается в зависимости от пределов измерения.

Rп – устанавливает предел измерения.

В равновесных мостах роль НИ выполняет усилитель, на выходе которого – РД.

РД – машина с короткозамкнутым ротором. Одна обмотка сетевая, другая – управляющая.

tgα = Фу/ Фc = tgωτ ;

α = ωτ — угол поворота пропорционален времени.

Все автоматические равновесные мосты работают по схеме астатического уравновешивания.

Мост может питаться постоянным или переменным током. Узел реохорда выполнен из трех параллельно соединенных нормированных сопротивлений RЭ = 100Ом. RПР зависит от пределов измерений.

Начальное сопротивление RН предназначено для ограничения силы тока, проходящего через терморезистор. Чтобы не было самонагрева термометра IТЕРМ

Обратный эффект Пельтье: Если пропускать электрический ток через место соединения проводников, то в зависимости от направления тока это место может нагреваться или охлаждаться.

Место соединения – спай.

при

Для измерения этой ЭДС термопару необходимо разорвать. Свободные концы термопары соединены проводником.

при

Включение третьего проводника в цепь термопары не изменяет ее ЭДС, если точки подключения этого

проводника имеют одинаковые температуры.

Пусть температура свободных концов изменится и станет , тогда

— поправка на температуру свободных концов термопары.

Для стандартных термопар существуют градуировочные таблицы. По ним выбирают поправки.

Если , то поправка со знаком +

Если , то поправка со знаком –.

Чтобы ввести поправку, нужно знать температуру свободных концов.

Для удлинения термопары используют термоэлектродные провода.

Они должны быть термоподобны материалу термопары. Это значит, что провода, если их соединить,

то в интервале 100°С они должны развивать такую же ЭДС, как и термопара.

ТПП (платинородий-платиновая термопара) – термоэлектродные провода из меди и медно-никелевого

ТПР (платинородий-платинородиевая) – не требует термоэлектродных проводов. Можно соединять любыми проводами. Не требует внесения поправки на температуру свободных концов.

ТХА (хромель-алюмелевая) – термоэлектродные провода из меди и константана.

ТХК (хромель-копелевая) – наиболее чувствительная термопара. Развивает самую большую ЭДС

на 1 о . Термоэлектродные провода из того же самого материала (хромель-копель)

ТВР (вольфрамрений-вольфрамрениевая) — термоэлектродные провода из меди и медно-никелевого

Термопреобразователь: принцип работы

Термопреобразователь сопротивления (ТС) – средство измерений температуры, предназначенны для подключения к измерительному прибору.

Термопреобразователь сопротивления (ТС) – средство измерений температуры, состоящее из одного или нескольких термочувствительных элементов сопротивления и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный защитный корпус, внешних клемм или выводов, предназначенных для подключения к измерительному прибору.

Читайте также  Прибор для измерения оборотов электродвигателя

Чувствительный элемент (ЧЭ) первичного преобразователя выполнен из металлической проволоки бифилярной намотки или пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку в виде меандра. ЧЭ имеет выводы для крепления соединительных проводов и известную зависимость электрического сопротивления от температуры.

Принцип работы такой термопары сопротивления (термометра сопротивления) основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента от температуры.Самый популярный тип термометра – платиновый термометр сопротивления ТСП градуировки Pt100. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные термометры.

Главное преимущество термометров сопротивления – высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость. Пленочные платиновые термометры сопротивления отличаются повышенной вибропрочностью.

Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления – необходимость использования для точных измерений трех- или четырехпроводной схемы включения, т.к. при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается измеренное сопротивление термометра.

Для измерения температуры различных типов рабочих сред – воды, газа, пара, химических соединений и сыпучих материалов используют термопреобразователь ТСП. Аналогом, производимым Производственной компанией “Тесей”, является термопреобразователи сопротивления типа ТСПТ и ТСПТ Ех.Номинальная статическая характеристика термопреобразователей – Pt100, Pt500, Pt1000, 100П и 50П.

Выбор термопреобразователя ТСП зависит от рабочей среды – диапазон температур измеряемой среды должен соответствовать рабочему диапазону термопреобразователя. При выборе необходимо обратить внимание надлину погружной части термопреобразователя и длину соединительного кабеля. Глубина погружения будет зависеть от глубины активной части, которая определяется длиной чувствительного элемента.

Термопреобразователь сопротивления ТСМ. Термопреобразователь ТСМ выполнен в виде бескаркасной намотки чувствительного элемента из медного изолированного микропроводабифилярной намотки. Аналогом, производимым Производственной компанией “Тесей”, является термопреобразователи сопротивления типа ТСМТ и ТСМТ Ех.Номинальная статическая характеристика термопреобразователей – 100М или 50М.

Используется 3 схемы включения датчика в измерительную цепь (подключение термопары):

  • 2-проводная. В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема термометра сопротивления используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление проводов включается в измеренное сопротивление и приводит к появлению дополнительной погрешности. Такая схема не применяется для термометров класса А и АА.
  • 3-проводная обеспечивает значительно более точные измерения за счёт того, что появляется возможность измерить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть их влияние на точность измерения сопротивления датчика.
  • 4-проводная — наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов.

Термопара принцип действия термопреобразователя сопротивления ТСПТ (ТСМТ)

Термопреобразователи сопротивления ТСПТ (ТСМТ) с двухпроводной схемой подключения изготавливаться только с классом допуска В или С и имеют ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов. В соответствии с требованиями ГОСТ 6651-2009, для датчиков с двух проводной схемой подключения, сопротивление внутренних проводов не должно превышать 0,1% номинального сопротивления ТС при 0°С. В связи с этим для различных НСХ присутствуют ограничения по монтажным длинам:

– для датчиков с клеммной головкой максимальная монтажная длина составляет Lmax= (500÷1250) мм в зависимости от конструктивной модификации,
– для датчиков с удлинительным проводом, максимальная длина провода составляет ℓ max= (500÷1000) мм в зависимости от конструктивной модификации.

Датчики с трех- и четырехпроводной схемой подключения, в зависимости от конструктивных модификаций, изготавливаются по классу допуска АА, А, В, С. При изготовлении ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов отсутствуют. Следует учитывать, что у вторичных приборов, к которым подключаются датчики, могут существовать ограничения по входному сопротивлению измерительной линии, которая в свою очередь зависит от длины провода датчика.

Таблица 1. Номинальное сопротивление R0

Pt

П

М

Температурный коэффициент a, °С-1

0,00385

0,00391

0,00428

Номинальное сопротивление R , Ом

Неопределенность измерений термометров сопротивления

Термопреобразователь сопротивления может быть признан годным изготовителем (или поверочным центром), если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в лаборатории изготовителя или поверителя, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпр)/(dR/dt), находится внутри интервала допуска ±Δt (см. ТС № 1 на рис. 3).

Термопреобразователь сопротивления может быть забракован потребителем только в том случае, если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в условиях использования термометра потребителем, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпотр)/(dR/dt), находится полностью вне интервала допуска ±Δt.

Такое правило приемки с одной стороны снижает риск потребителя, который может приобрести некачественный термометр сопротивления только по причине больших погрешностей измерений на производстве, с другой стороны, это правило стимулирует изготовителя использовать при приемке термометров высокоточное измерительное оборудование. Правило также является очень важным при установлении брака Заказчиком, т. к. Заказчик тоже обязан оценить неопределенность своих измерений и уже после этого предъявлять претензии к изготовителю.

Объем и последовательность первичной и периодической поверок ТС установлены в соответствии с ГОСТ Р 8.624 при этом перечень обязательных контролируемых параметров одинаков. Первичная поверка, осуществляемая аккредитованной метрологической службой нашего предприятия, совмещается с приемо-сдаточными испытаниями.

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами и термометрами сопротивления влияют многие факторы, основные из них это:

– случайные эффекты при измерении;
– неопределенность измерения регистрирующего прибора;
– класс допуска термопары или термометра сопротивления;
– изменение характеристики ТП или ТС за межповерочный интервал (МПИ);
– для ТП дополнительно класс точности удлинительных проводов, соединяющей термопару с регистрирующим прибором и погрешность компенсации температуры опорных спаев;

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 3. Бюджет неопределенности составлен в соответствии с Руководством по выражению неопределенностей и нормативными документами.

Вклад случайных эффектов, характеристики нестабильности измеряемой температуры и теплового контакта со средой в расчетах не учитывались, исходя из того, что эти величины зависят от условий применения.

Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.

Источники неопределенности измерения температуры на объекте

В новом стандарте ГОСТ Р 8.625-2006 приведены правила отбраковки термометра сопротивления потребителем. В них установлено, что забраковать термометр можно только, если отклонение сопротивления термометра от НСХ лежит полностью вне диапазона, обусловленного расширенной неопределенностью измерения температуры в рабочих условиях. Поэтому становится очень актуальной проблема оценки неопределенности, возникающей при измерении температуры на объекте. Источники неопределенности измерения температуры промышленным термометром сопротивления можно разделить на источники, связанные с физическими условиями работы ТС и электрическим преобразованием сигнала:

– теплопроводящие свойства данной конструкции термометра и монтажных элементов;
– перенос тепла излучением в окружающую среду;
– теплоемкость датчика температуры;
– скорость изменения измеряемой температуры;
– утечки тока (качество заземления);
– электрические шумы;
– точность измерителя или преобразователя сигнала.

Стабильность метрологических характеристик термометра сопротивления

В ходе эксплуатации метрологические характеристики термопреобразователей сопротивления неизбежно изменяются. Скорость изменения зависит от многих факторов таких как: температура эксплуатации, скорость и частота изменений температуры, наличие химически активных веществ в измеряемой среде и т.д. В связи с этим для датчиков ТСПТ, ТСМТ, ТСПТ Ex, ТСМТ Ex введены группы условий эксплуатации и в зависимости от этой группы нормированы допустимые значения дрейфа метрологических характеристик термометров сопротивления.

РМГ-74 «МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖПОВЕРОЧНЫХ И МЕЖКАЛИБРОВОЧНЫХ ИНТЕРВАЛОВ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ» предписывает определять интервал между поверками (ИМП) как период времени/наработки СИ за который изменение метрологических характеристик не превышает модуля класса допуска СИ, уменьшенного на систематическую погрешность измерений в ходе испытаний СИ.

Для термопреобразователя сопротивления определяющим фактором дрейфа является наработка датчика при повышенной температуре. Влияние старения на дрейф ТС практически не упоминается в научных публикациях. При этом общеизвестно что величина и скорость дрейфа ТС зависит от величины измеряемой температуры. Известно, что медные термопреобразователи сопротивления менее стабильны чем платиновые. Доминирующей причиной дрейфа, в условиях эксплуатации, не относящихся к экстремальным, является изменение физических свойств металлов под воздействием температуры, величина изменений зависит от значения максимальной температуры эксплуатации и длительности воздействия.

Предлагается при нормировании интервалов между поверками учитывать условия эксплуатации, разделив их по диапазонам измеряемых температур. Для каждого из диапазонов указывать свой интервал между поверками от одного года до пяти лет. Предлагаемая градация интервалов представлена на рисунке 4.

Термометры сопротивления и вторичные приборы, работающие в комплекте с ними

Тема: Термометры сопротивления и вторичные приборы, работающие в комплекте с ними (Термопары и вторичные приборы, работающие в комплекте с ними).

Термопара ( ТП) — это термоэлектрическое устройство замкнутой цепи, чувствительное к температуре, которое состоит из двух проводников, выполненных из разнородных металлов, которые соединены на обоих концах. Электрический ток создается, когда температура на одном конце или спае, отличается от температуры на другом конце. Это явление носит название эффекта Зеебека, который является основой измерения температуры с помощью термопар.

Один конец называется горячим спаем, а другой конец называется холодным спаем. Измерительный элемент с горячим спаем помещается внутрь оболочки первичного преобразователя, и на него воздействует температура технологического процесса. Холодный спай или опорный спай — это точка подключения вне технологического процесса, где температура известна и где измеряется напряжение. (например, в измерительном преобразователе, на входной плате системы управления или в устройстве формирования сигналов.)

В соответствии с эффектом Зеебека, напряжение, измеряемое на холодном спае, пропорционально разнице температур горячего и холодного спаев. Это напряжение может называться напряжением Зеебека, термоэлектрическим напряжением или термоэлектрической э.д.с. По мере роста температуры горячего спая напряжение, наблюдаемое на холодном спае, также возрастает нелинейно в зависимости от роста температуры. Линейность кривой «температура-напряжение» зависит от сочетания металлов, образующих термопару.

2. Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Напряжение, измеряемое на холодном спае, зависит от разницы температур горячего и холодного спаев; поэтому, необходимо знать температуру холодного спая, чтобы рассчитать температуру горячего спая. Этот процесс называется «компенсацией холодного спая» (КХС). КХС выполняется управления, устройством аварийных отключений или другим устройством формирования сигнала. В идеале измерение КХС выполняется как можно ближе к точке измерения, потому что длинные провода термопары очень чувствительны к электрическим помехам, и сигнал в них ухудшается.

Читайте также  Прибор от перепада напряжения в сети

Рисунок 2a — Компенсация холодного спая

Точное проведение КХС имеет решающее значение для точности измерения температуры. Точность КХС зависит от двух факторов: точности измерения эталонной температуры и близости точки эталонного измерения к холодному спаю.

3 . Изготовление термопар

Процесс начинается с выбора высококачественной проволоки из материала, который требуется для термопары изготавливаемого типа. Проволоки соединяются различными способами, включая скручивание, сжатие, пайку, в т.ч. и высокотемпературную, а также различные виды сварки (например, сварка узким швом и сварка встык). Чтобы получить наилучшие рабочие характеристики горячий спай должен быть механически прочным, электрически непрерывным, не загрязнен никакими химическими примесями материалов, использующихся при сварке или пайке. При изготовлении высококачественных термопар большое внимание уделяется выбору марки проволоки и контролю процесса изготовления.

Совет: Спай, полученный путем скручивания проволок, очень быстро теряет свои свойства, и использовать такой способ получения спая не рекомендуется.

Рисунок — Способы изготовления горячего спая

Спаи термопар изготавливаются в различных конфигурациях, каждая из которых имеет свои преимущества для применения в определенных системах. Спаи могут быть заземленными или незаземленными, а двухэлементные термопары могут быть изолированными или неизолированными. См. рисунок 3.1a.

Рисунок 3.1a — Конфигурации горячих спаев

Заземленные спаи термопар образуются, если спай термопары соединяется с оболочкой первичного преобразователя. Заземленные спаи обладают лучшей теплопроводностью, что, в свою очередь, повышает быстродействие.

Незаземленные спаи получаются тогда, когда элементы термопары не соединяются с оболочкой первичного преобразователя, а окружены изолирующим порошком.

Термопары с открытым спаем имеют горячий спай, выступающий из загерметизированного конца оболочки, обеспечивая высокое быстродействие. Герметизация препятствует попаданию влаги или других загрязнений внутрь оболочки. Обычно такие термопары применяются только в некоррозионных газах, например, в воздуховодах.

4.1 Термопары типа K, хромель — алюмель

• Хромель (Chromel®) — это сплав, состоящий на 90% из никеля и на 10% из хрома, а Алюмель (Alumel®) — это сплав, содержащий 95% никеля, 2% марганца, 2% алюминия и 1% кремния.

• Термопары типа K — одни из самых распространенных термопар общего назначения, имеющие чувствительность приблизительно 41 мВ/ °C.

• Термоэлектрод из сплава Chromel® имеет положительный потенциал относительно термоэлектрода из сплава Alumel®.

• Это недорогие термопары, их диапазон измеряемых температур составляет от -270°C до +1372°C (от -454°F до +2501°F) и характеристика относительно линейна.

• Содержание никеля делает сплав магнитным и, как и в случае других магнитных металлов, выходной сигнал термопары отклоняется, когда материал достигает своей температуры Кюри, которая составляет примерно 350°C (662°F) для термопар типа K. Температура Кюри — это температура, при которой магнитный материал претерпевает серьезное изменение своих магнитных свойств, что вызывает существенное смещение выходного сигнала.

• Такие термопары можно использовать в постоянно окислительных или нейтральных средах.

• В основном они используются при температурах выше 538°C (1000°F)

• Воздействие серы приводит к преждевременному отказу термопар.

• Эксплуатация при определенных низких концентрациях кислорода вызывает отклонение

Термометр (термопреобразователь) сопротивления: виды, устройство, принцип действия

Термометром сопротивления называют измерительный прибор, работающий в широком температурном диапазоне в различных промышленных условиях. Дополнительные названия устройства – термопреобразователь сопротивления и терморезистор.

Основными достоинствами термометра сопротивления являются повышенная стабильность, близость характеристики к линейной зависимости и высокая взаимозаменяемость.

Среди его недостатков можно отметить необходимость применения трехпроводной или четырехпроводной схемы включения для точности измеряемых показателей.

Принцип действия измерительного устройства

Действие термопреобразователя основывается на свойстве различных материалов изменять свое электрическое сопротивление при разных температурных условиях – этот параметр называется температурным коэффициентом электрического сопротивления.

Измененная температура влечет за собой смену теплового колебания кристаллической решетки металла и изменение электрического сопротивления сенсора. Таким образом, чем выше температура чувствительного сенсора, тем значительнее колебания кристаллической решетки, и тем выше уровень электрического сопротивления.

Как вторичный температурный датчик, термоперобразователь нуждается в тщательной калибровке перед началом измерительного процесса. Это выполняется с помощью замеров сопротивления в реперных точках и последующем выстраивании временной зависимости от сопротивления. Сам термопреобразователь, при этом, должен приобрести температурный показатель, аналогичный среде измерения.

На точность показателей могут повлиять наличие примеси в металлах сенсора и возможные дефекты конструкции. Их неоднородная структура способна изменить сопротивление и скорость выхода на стационарные показатели для определенной температуры.

Для правильного измерения температур важно обеспечить грамотный тепловой контакт с измеряемым объектом.

Габариты сенсора должны находиться на минимально необходимом уровне, что исключит вероятность увеличения срока замера и позволит зафиксировать быстроизменяющиеся процессы.

Устройство термопреобразователя

Конструкция данного прибора состоит термочувствительного элемента (одного или нескольких) и внутренних соединительных проводов, которые находятся в защитном корпусе герметичного типа, и дополненных внешними выводами для подключения к прибору измерения.

Чувствительным элементом устройства является резистор, изготовленный из металлической проволоки или пленки, и имеющий выводы для подключения соединительных проводов.

Виды термопреобразователей сопротивления

Термопреобразователи разделяются на несколько видов:

Металлический тип термопреобразователей

Эти устройства предназначены для проведения замеров в широком температурном интервале (конкретный диапазон зависит от вида металла). Чаще всего этот прибор представляет собой расположенную в изолированном корпусе проволоку сечением до 0,1мм определенной длины. Среди этих термометров сопротивления наиболее часто встречаются устройства из платины, никеля и меди.

Для платиновых термопреобразователей характерна высокая стабильность и точность показаний. Этот прибор демонстрирует высокое удельное сопротивление и способен проводить замеры в самом широком диапазоне температур. Платиновый термопреобразователь получил наибольшую распространенность в промышленных областях разных стран мира.

Измерительный прибор из никеля имеет самый высокий коэффициент температуры и самый большой выходной сигнал сопротивления. Минус устройства – при превышении точки Кюри (352°С) возможно возникновение непредсказуемого гистерезиса характеристик. Некоторое время назад практиковалась установка подобных терморезисторов в кораблестроении совместно с самописцами. Сейчас данный тип приборов распространен, но все же меньше, чем платиновые устройства.

Медные термопреобразователи обладают наиболее линейной характеристикой при ограниченном температурном диапазоне. За счет низкого удельного сопротивления в этом типе устройств необходимо устанавливать проволоку увеличенной длины. Сфера применения данных приборов: электростанции, электрогенераторы и т.д.

Полупроводниковые термометры

Стабильные, чувствительные, с высокой точностью измерения, полупроводниковые термопреобразователи сопротивления способны фиксировать даже быстропротекающие процессы. Проводить замеры с их помощью можно и при низком температурном режиме благодаря отсутствию необходимости пропускания больших измерительных токов. Конструкция такого термометра представляет собой полупроводник, помещенный в герметичный корпус из меди.

Угольные термометры

Большинство характеристик данного устройства схожи со свойствами полупроводниковых термометров. В основе изготовления угольных термометров лежит принцип спекания крошечных частиц угля промышленным способом при высоких показателях давления. Подобная технология и низкая себестоимость материалов делают угольные термометры доступными по цене. Тем не менее, главный недостаток приборов – низкая стабильность – обуславливает необходимость их постоянной калибровки или проведения регулярных проверок стабильности. Также к минусам прибора можно отнести установку температурного равновесия в самом устройстве.

Сверхпроводящие термопреобразователи

Эта разновидность термометров применяется при замерах в низком температурном режиме: от -265°С до -272°С. Особенностью конструкции прибора можно назвать добавление к чистым металлам на сенсорных датчиках ряда сортов фосфористой бронзы. Это позволяет расширить переход из состояния нормы в сверхпроводящее состояние при увеличении точности изменений.

Платиновые термометры сопротивления

Среди всех разновидностей терморезисторов самыми востребованными считаются платиновые устройства. Во-первых, из-за высокого температурного коэффициента сопротивления, делающим эксплуатацию данных приборов предельно простой. Во-вторых, из-за низкой окисляемости металла, обеспечивающей длительный срок службы сенсоров.

Кроме того, погрешность в показаниях именно у платиновых резисторах минимальна, что сделало их оптимальным вариантом для проверки других типов датчиков. Однако на практике эталонные термометры (используемые для калибровки) приходится изготавливать из платины максимальной чистоты и с определенным коэффициентом температуры, за счет чего стоимость эталонных приборов в десятки раз превышает стоимость промышленных платиновых термометров сопротивления. Также эталонные термометры крайне чувствительны к механическим воздействиям, тряске, вибрациям и могут выйти из строя при тепловом ударе.

Разновидности платиновых терморезисторов зависят от использованного в устройстве типа чувствительного элемента.

Типы чувствительных элементов в платиновых термопреобразователях

На сегодняшний день выделяют следующие разновидности чувствительных элементов:

1. В виде «свободной от напряжения спирали».

2. В виде «полой конструкции».

3. Устройство из пленки.

4. Устройство из платины со стеклянной оболочкой.

Самым распространенным и надежным видом является «свободная от напряжения спираль», чаще всего его можно встретить у российских производителей. Внешне этот элемент может выглядеть по-разному – в зависимости от использованных материалов и величины отдельных деталей.

«Полая конструкция» – тип устройства, внедренный сравнительно недавно. Чаще всего он востребован на промышленных предприятиях, связанных с особым производством (например, в атомной промышленности). Тип конструкции данного сенсора обуславливает его значительную точность, надежность и стабильность в эксплуатации. Повышенная себестоимость материалов сборки делает эту деталь весьма дорогостоящей.

К числу чувствительных элементов, широко применяемых за рубежом, относится пленочный тип, при котором на керамическую подложку нанесен тонкий платиновый слой. Данная разновидность имеет массу преимуществ: невысокую стоимость, практичность, небольшие габариты и малый вес. Минусом устройства называют низкую стабильность, однако в последнее время проводятся постоянные разработки и исследования, направленные на устранение этого недостатка.

Устройство, представляющее собой платиновую проволоку с покрытием из стекла, можно назвать одной из наиболее функциональных за счет полной герметизации и устойчивости к высокой влажности. Тем не менее, использовать этот прибор можно лишь при определенном температурном режиме. Стоимость этого типа элемента относится к сегменту выше среднего.

Область применения термопреобразователей сопротивления

Данные приборы применяются в промышленной сфере для измерения показателей температуры в разнообразных рабочих средах (жидких, сыпучих, газообразных), в сфере автомобилестроения, печестроения, в нагревательной, холодильной и климатической электротехнике – везде, где требуется определение прямой зависимости электрического сопротивления от температуры.

Диапазон измерения температур устройств составляет от -272°С до +1000°С, в зависимости от типа терморезистора. Для точности полученных сенсором данных конструкция терморезистора должна быть стабильной и чувствительной, способной на проведение замеров в особых условиях (например, при наличии агрессивной среды, тряски, вибраций и т.д.).

Чаще всего при проведении замеров терморезистором дополнительно используется такие устройства, как потенциометры, логометры и измерительные мосты. Они помогают настроить высокую точность термопреобразователя.

Современные термопреобразователи сопротивления – это надежные и функциональные устройства, обеспечивающие проведение замеров на уровне, недоступном для других датчиков. Для оптимального результата измерений важно выбрать тип терморезистора с характеристиками, подходящими для работы в конкретных условиях и определенном температурном режиме.