4.Лабораторная работа №3. Построение статической характеристики термометра сопротивления.

Цель работы – знакомство с устройством и принципом действия термометров сопротивления.

Задача работы – построение статической характеристики по однократным измерениям в диапазоне от 0 до 100 ⁰С для термометра сопротивления из платины.

Термометры сопротивления платиновые и медные.

Термометры сопротивления, изготавливаемые из платины, широко используются в метрологических, лабораторных и технических измерениях в диапазоне температур от –260 до 1100⁰С. Для изготовления чувствительных элементов используется платиновая проволока диаметром от 0,05 мм до 0,1 мм.

Наиболее существенным достоинством платины является то, что чистая платина устойчива к окислению в воздушной среде и длительное время сохраняет свои градуировочные данные. К недостаткам платины следует отнести отклонение от линейного закона зависимости активного сопротивления от температуры и загрязнение в восстановительной атмосфере.

Статическая характеристика платинового термометра сопротивления в интервале температур от 0 до 630⁰С описывается полиномом второй степени:

, ⁰С^-1, ⁰С^-2, (6)

а в интервале температур от –183 до 0⁰С – полиномом четвертой степени:

, (7)

⁰С^-1, ⁰С^-2, ⁰С^-4

Технические термометры сопротивления платиновые (ТСП) выпускаются в соответствии с ГОСТ 6651. Этим стандартом определяются статические характеристики (градуировки) и погрешности ТСП. ТСП выпускаются 1-го и 2-го классов точности. Для термометров 1-го класса точности , отклонение допускается не более - эти требования обеспечивают абсолютную погрешность не более 0,3-0,5⁰С. Для термометров 2-го класса точности , отклонение допускается не более - эти требования обеспечивают абсолютную погрешность не более 0,5 - 1 ⁰С.

Таблицы статических характеристик для ТСП приведены в ГОСТ 6651.

Термометры сопротивления медные также нашли широкое применение в технических измерениях. Для изготовления чувствительных элементов из меди используется медная проволока диаметром 0,1 мм, покрытая эмалью, кремнийорганической или винифлексовой изоляцией. Использование изоляции повышает стойкость чувствительного элемента к окислению и поднимает верхнюю границу диапазона измерений до 200⁰С. Неизолированная медная проволока используется только для изготовления термометров 3-го класса точности с верхним диапазоном измерения не более 100⁰С.

Достоинствами меди являются дешевизна, простота получения тонкой проволоки в различной изоляции, возможность получения меди высокой чистоты, линейный характер зависимости активного сопротивления от температуры. К недостаткам меди следует отнести малое удельное сопротивление и интенсивную окисляемость при высоких температурах.

Отечественной промышленностью выпускаются медные термометры сопротивления, предназначенные только для технических измерений.

Статическая характеристика медного термометра сопротивления описывается выражением

, ⁰С^-1 (8).

Технические термометры сопротивления медные (ТСМ) выпускаются в соответствии с ГОСТ 6651. Этим стандартом определяются статические характеристики (градуировки) и погрешности ТСМ. ТСМ выпускаются 2-го и 3-го классов точности. Для термометров 2-го класса точности , отклонение допускается не более - эти требования обеспечивают абсолютную погрешность не более 0,5-1⁰С.

Для термометров 3-го класса точности , отклонение допускается не более - эти требования обеспечивают абсолютную погрешность 1 - 20⁰С.

Градуировочные таблицы для ТСМ приведены в ГОСТ 6651.

Измерительные схемы для выполнения лабораторных измерений температуры с помощью термометров сопротивления приведены на рис.7.

Рис.7. Лабораторные схемы измерения температуры термометрами сопротивления:

а – компенсационный метод; б – прямой метод.

Компенсационный метод позволяет достичь самой высокой точности измерений. Измерительная схема приведена на рис.7,а.

Цепь состоит из источника тока Б, регулировочного сопротивления , образцового сопротивления (мост) и самого термометра сопротивления . В цепи устанавливается ток не более 1 мА, который контролируется миллиамперметром А. Падение напряжения на термометре и на образцовом сопротивлении измеряется по очереди с помощью переключателя П по показаниям вольтметра V. Результирующее сопротивление определяется по формуле:

(9)

Для того чтобы определить температуру необходимо воспользоваться статической характеристикой используемого термометра сопротивления.

Установка для проведения данной лабораторной работы соответствует прямой схеме измерений (рис.7,б) и состоит из следующего оборудования:

• термометр сопротивления платиновый в виде готового стандартного изделия (ТСП);

• термостат;

• омметр;

• стеклянные жидкостные термометры высокого класса точности;

• магазин образцовых сопротивлений.

Порядок проведения работы и обработка результатов.

Результатом работы является статическая характеристика исследуемого преобразователя температуры (ТСП), построенная в диапазоне входных сигналов от 0 до 100 градусов с шагом около 10 градусов.

Температурные точки воспроизводятся однократно путем смешивания льда, воды и кипящей воды в термостате. Температура получаемой смеси контролируется стеклянным жидкостным термометром высокого класса точности. Затем с помощью омметра измеряется значение активного сопротивления ТСП.

Необходимо предварительно оценить диапазон изменения выходного сигнала ТСП для правильного выбора шкалы измерительного прибора, контролирующего выходной сигнал преобразователя.

Значения всех измеренных параметров и значения погрешностей средств измерений заносятся в таблицу 3.

Напомним, что в качестве погрешности стандартного средства измерений, как правило, берется предел допускаемой основной погрешности этого средства. Кроме того, погрешность омметра рекомендуется уточнить с помощью магазина образцовых сопротивлений.

Значение стандартного сопротивления ТСП, соответствующего температуре, измеренной ртутным термометром, R_j(t_j) берется из таблиц ГОСТ 6651 или рассчитывается по формуле (6).

Таблица 3.

Номер точки	Температура, измеренная ртутным термометром tj,^оС	Сопротивление ТСП, измеренное омметром, Rj.,Ом	Стандартное сопротивление ТСП при tj , Rj(tj),Ом	t–погрешность стеклянного жидкостного термометра	R–погрешность омметра

Представление результатов. Результаты опыта следует представить в виде графиков, отображающих опытную или действительную и стандартную статические характеристики термометра сопротивления.

Погрешности средств измерений, использованных в опыте, нанесенные на опытную статическую характеристику показывают область, в которой находится действительная (отснятая в данном опыте) характеристика исследуемого преобразователя.

Для построения области действительной характеристики, необходимо каждую экспериментальную точку, полученную путем однократного измерения, окружить «прямоугольником погрешности», показывающим область, в которой может находиться точка действительной статической характеристики. На рис.8 показано построение «прямоугольника погрешности».

Рис.8. «Прямоугольник погрешности» для отдельной измеренной точки: R_j, t_j – координаты j-й точки, t – предел допускаемой основной погрешности стеклянного жидкостного термометра, измеряющего температуру, R – оценка погрешности омметра, измеряющего выходной сигнал исследуемого преобразователя температуры.

Окружив каждую точку «прямоугольником погрешностей» можно построить «коридор погрешностей», соединив вершины «прямоугольников» так, как показано на рис.9.

Рис.9.