2. Устройство термометров сопротивления

Чувствительный элемент металлического термометра сопротивления состоит, как правило, из проволоки или ленты, которая намотана на каркас из стекла, кварца, керамики, слюды или пластмассы. От чувствительного элемента идут выводы к зажимам головки термометра, к которым подсоединяются провода, идущие затем к измерительному прибору. Вариант устройства термометра сопротивления приведен на рис. 1. Чувствительный элемент термометра сопротивления выполняется в виде спирали из проволоки 1, помещенной в четырехканальный керамический каркас 2. Для защиты от механических повреждений и вредного воздействия измеряемой или окружающей среды чувствительный элемент помещен в защитную оболочку 3, которая уплотнена керамической втулкой 4, Выводы 5 чувствительного элемента проходят через изоляционную керамическую трубу Все это находится в защитном чехле 7, установленном на объекте измерения с помощью резьбового штуцера На конце защитного чехла располагается соединительная головка 9 термометра. В головке находится изоляционная колодка 10 с винтами И для крепления выводов термометра и подключения соединительных проводов. Головка закрывается крышкой. Соединительные провода выводятся через штуцер. Для уменьшения влияния внешних электрических и магнитных полей чувствительные элементы термометров сопротивления делают с безындуктивной намоткой.

Рис. 1. Устройство термометра сопротивления

Рис. 2. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления

Чувствительный элемент медного термометра сопротивления состоит из медной изолированной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной в несколько слоев на цилиндрический каркас из пластмассы или металла. Слои проволоки скрепляются между собой и каркасом лаком. К обоим концам проволоки припаиваются медные выводы диаметром 1—1,5 мм. Чувствительный элемент помещают в защитную оболочку. Кроме каркасных выпускаются бескаркасные чувствительные элементы медных термометров сопротивления. Чувствительный элемент изготавливается из изолированной проволоки диаметром 0,08 мм безындуктивной бескаркасной намоткой. Отдельные слои скреплены лаком, и затем весь чувствительный элемент обернут фторопластовой пленкой. Чувствительный элемент помещают в тонкостенную защитную металлическую оболочку, которая засыпается керамическим порошком и герметизируется.

Чувствительный элемент платиновых термометров состоит из двух или четырех платиновых спиралей 1, расположенных в капиллярных каналах керамического каркаса 2 (рис. 2). Каналы каркаса заполняются керамическим порошком 3, который служит изолятором и создает подпружинивание спиралей. К концам спиралей припаяны выводы 4 из платиновой или иридиево-родиевой проволоки. Чувствительный элемент в керамическом каркасе герметизируется специальной глазурью 5. Такая конструкция обеспечивает хорошую герметичность ввиду малой газопроницаемости керамики каркаса и глазури. Закрепление спирали только в двух точках обеспечивает незначительное механическое напряжение. Чувствительные элементы оказываются вследствие плотной засыпки пространства между спиралями и каркасом керамическим порошком достаточно прочными и вибростойкими. Они могут применяться в интервале температур от —260 до1000°С. Специально для низкотемпературных измерений разработаны конструкции миниатюрных платиновых термометров сопротивления (см. § 9.4).

В эксплуатации применяются чувствительные элементы платиновых термометров сопротивления со слюдяным каркасом, на котором намотана специальным образом неизолированнаяплатиновая проволока. В лабораторной практике применяются платиновые термометры сопротивления с каркасом из кварца или специального стекла также с неизолированной платиновой проволокой. Трудности покрытия платины изоляционными лаками и эмалями не давали возможности получать платиновую проволоку в изоляции, что существенно затрудняло разработку малогабаритных и надежных платиновых термометров сопротивления.

Рис. 3. Чувствительный элемент германиевого термометра сопротивления

Германиевые термометры сопротивления для низкотемпературных измерений представляют собой медную луженую гильзу 1 (рис. 3), которая заполнена газообразным гелием и закрыта герметичной пробкой 2. Внутри гильзы находится монокристалл германия 3, легированного сурьмой. К кристаллу приварены четыре золотых проводника 4, к которым припаяны платиновые выводы 5. Кристалл изолирован пленкой. Такие термометры применяются для измерения температур от 1,5 до 50 К.

В лабораторной практике иногда встречаются платиновые термометры зарубежного производства, которые представляют собой платиновую проволоку или ленту, запаянную в стекло. Такие термометры могут надежно работать до 500—600 °С. При более высоких температурах стекло становится электропроводящим и, кроме того, температурные напряжения могут существенно исказить результаты измерения.

3. Особенности измерения сопротивления термометров и способы их подключения

При измерении температуры термометрами сопротивления возникает необходимость измерения сопротивления термометра, который подсоединяется к измерительному прибору соединительными проводами. Поэтому сопротивление, подключенное к измерительному прибору, больше, чем сопротивление термометра. Чтобы исключить или уменьшить влияние этого дополнительного сопротивления на результаты измерения, используют различные способы, которые зависят от схемы подключения термометра и метода измерения или схемы измерительного прибора. Сопротивление соединительных проводов должно с помощью подгоночного сопротивления быть подогнано до значения, при котором проводилась градуировка прибора. Градуировочное значение сопротивления соединительных проводов указывается на шкале прибора либо в его паспорте.

Рис. 4. Схемы подсоединения термометров сопротивления

Pис. 5. Схема подгонки сопротивления соединительных проводов двухпроводной линии

Различают двух-, трех- и четырехпроводные схемы подсоединения термометров сопротивления к измерительному прибору. (рис. 4). При двухпроводной схеме включения термометр сопротивления и сопротивление соединительных проводов последовательно включены в одну из ветвей измерительной схемы (рис. 4,а). Подгонка сопротивления соединительных проводов до градуировочного значения чаще всего осуществляется следующим образом. После того как собрана схема и проложены (смонтированы) соединительные провода, последовательно с термометром и соединительными проводами включаются подгоночная катушка (рис. 5) и эквивалентное сопротивление . Значение эквивалентного сопротивления соответствует сопротивлению термометра при определенной температуре, например 100, 50 или 250 °С. Зажимы термометра закорачивают, и ветвь измерительной схемы состоит из сопротивления реальных соединительных проводов , эквивалентного сопротивления, имитирующего сопротивление термометра при определенной температуре, и подгоночного сопротивления (рис. 5,6). Затем включают измерительную схему и изменяютдо тех пор,пока измерительный прибор не встанет на отметку шкалы, соответствующую температуре, на которую рассчитано эквивалентное сопротивление. После этого эквивалентное сопротивление либо отключается, либо закорачивается, а закоротка с зажимов термометра снимается. Таким образом подгоняют сопротивление соединительных проводов термометра до расчетного (градуировочного) значения. Однако если в процессе эксплуатации температура соединительных проводов (как правило, медных) будет отличаться от их температуры при подгонке сопротивления, то и само сопротивление этих .проводов будет отличаться от градуировочного значения. Погрешность, вызванная неправильностью подгонки или изменением сопротивления с температурой, независимо от диапазона измерения измерительного прибора для двухпроводной схемы подключения термометра может быть определена из выражения

(7)

где— погрешность измерения, °С; — значение сопротивления линии (соединительных проводов) в условиях эксплуатации, Ом; —градуировочное (расчетное) значение сопротивления линии, Ом; S — коэффициент преобразования термометра в области измеряемой температуры, Ом/К.

Для уменьшения погрешности, вызываемой несоответствием сопротивления соединительных проводов градуировочному значению, применяют термометры с тремя выводами от термометра сопротивления в измерительную схему. При трехпроводной схеме подключения термометра (рис. 4,б) соединительные провода от головки термометра идут к измерительной ветви, сравнительной ветви и источнику питания. В симметричных уравновешенных схемах, когда сопротивления измерительной и сравнительной ветвей одинаковы, изменение температуры соединительных проводов не вызывает погрешности, так как сопротивление проводов изменяется на одну и ту же величину. Подгонка сопротивления соединительных проводов осуществляется последовательным измерением попарно соединенных проводов.

Четырехпроводная схема подключения термометра (рис. 4, в) применяется, как правило, при компенсационном методе измерения сопротивления, который позволяет полностью исключить влияние изменения сопротивления соединительных проводов на показания прибора.

Еще одна особенность, которая имеет место при измерении сопротивления термометра, заключается в том, что для измерения сопротивления по термометру должен идти ток. При этом согласно закону Джоуля — Ленца выделяется теплота, которая нагревает термометр до более высокой температуры, чем температура измеряемой среды, что вызывает соответствующее изменение его сопротивления.

В промышленных условиях рассчитывают измерительный ток таким образом, чтобы погрешность за счет самонагрева не превышала 0,1 % —сопротивления термометра при 0°С.

4. Мостовые схемы измерения сопротивления

Для измерения сопротивлений термометров и других преобразователей сопротивления используются следующие методы и измерительные схемы: одно- и двух мостовые схемы (уравновешенные и неуравновешенные), логометры и компенсационный метод.

Мостовые схемы. Измерительный мост представляет собой (рис. 6) четыре резистора ,,и, которые питаются от источника питания, включенного в питающую диагональ . Напряжение источника питания составляет U. В измерительной диагонали моста с—d включен измерительный прибор с сопротивлением . Чтобы установить зависимость между значениями элементов схемы и измерительным током, воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе, согласно которой токравен напряжению холостого хода, деленному насумму сопротивлений участка cd и сопротивления между концами участка cd при коротком замыкании всех ЭДС цепи. Таким образом, ток, протекающий через измерительный прибор в диагонали с—, определяется формулой

(8)

Рис, 6- Принципиальная схема моста

Из этого выражения вытекает, что возможны два режима работы моста:

1) равновесный, когда изменением сопротивления одного или нескольких резисторов добиваются выполнения условия =0, которое имеет место,когда

(9)

2) неравновесный, когда

. (10)

В этом случае, если нужна однозначная зависимость измерительного тока от сопротивления какого-нибудь резистора, например, необходимо, чтобывсе остальные элементы схемы имели постоянные значения: U, ,, — const.

Уравновешенные мосты. В соответствии с режимами работы возникают схемные и конструктивные различия мостов. В мостах, использующих равновесный режим работы (уравновешенных мостах), для измерения сопротивления необходимо уравновесить мост —выполнить условие (9). Для этого одно или несколько плеч (резисторов) моста делаются переменными, сопротивления их могут быть определены. Тогда, добившись равновесия, по (9) и известным трем сопротивлениям определяется неизвестное (измеряемое) четвертое сопротивление. Момент наступления равновесия определяется по отсутствию тока в нуль-гальванометре. Наиболее простой является схема с одним изменяемым сопротивлением. Однако значительное влияние на результаты измерения по такой схеме может оказывать сопротивление переходного контакта переменного резистора. В связи с этим более рациональной является схема, в которой подвижный контакт входит в измерительную диагональ. В этом случае в момент равновесия ток в измерительной диагонали равен нулю и поэтому сопротивление переходного контакта не влияет на результаты измерения. Для уравновешивания моста изменяется сопротивление сразу двух плеч или соотношение сопротивлений плеч.

Рассмотрим схему автоматического уравновешенного моста, в котором уравновешивание осуществляется изменением сопротивления плеч (рис. 7). Автоматическое уравновешивание осуществляется так же, как и в автоматическом потенциометре. Если потенциалы вершин моста, к которым подключается измерительная диагональ, не равны, то в измерительной диагонали идет ток, который поступает на вход электронного усилителя ЭУ. Выходной сигнал заставляет вращаться реверсивный двигатель, который перемещает движок реохордадо тех пор, пока не наступит равновесие моста. Сопротивление рассчитываетсяи изготавливается таким образом, что при изменении измеряемой температуры от минимального до максимального значения для уравновешивания моста движок реохорда должен переместиться от одного крайнего положения до другого. Параметр m определяет положение движка в долях от

Измеряемое сопротивление (термометр) включено в плечо, прилежащее к реохорду. В этом случае уравнение шкалы — перемещение движка реохорда в зависимости от изменения сопротивления — будет линейно. Запишем уравнения равновесия для начальной и промежуточной точек и получим уравнение шкалы:

(11)

откуда

Как видно из выражения, показания моста m пропорциональны изменению сопротивления . При включении измеряемого сопротивления в плечо, прилежащее к реохорду, уравнение шкалы уравновешенного моста получается линейным относительно изменения сопротивления. Этот вариант схемы получил наибольшее распространение, В этой схеме термометр сопротивления включен по трехпроводной схеме. Если возникает необходимость подключить сопротивление по двухпроводной схеме, для этого достаточно перенести питающую диагональ из точки 2 в точку 3. Представленная схема имеет следующие преимущества: 1) показания моста не зависят от напряжения питания (это преимущество присуще всем уравновешенным мостам); 2) показания прибора линейно связаны с изменением измеряемого параметра; 3) измерение (уравновешивание моста) осуществляется автоматически; 4) трехпроводная схема включения позволяет существенно уменьшить или даже исключить погрешность показаний, вызываемую изменением сопротивления соединительных проводов. К числу недостатков схемы следует отнести: 1) необходимость в схеме устройства для уравновешивания; 2) трудность или невозможность измерения малых сопротивлений.

Как уже указывалось, при использовании двухпроводной схемы подключения термометров к измерительному прибору любое изменение сопротивления соединительных проводов относительно расчетного (градуировочного) значения непосредственно будет влиять на показания прибора, причем погрешность будет пропорциональна изменению сопротивления. Для уменьшения этого влияния сопротивления отдельных соединительных проводов включаются в разные ветви мостовой схемы — в измерительное плечо, в прилежащее постоянное плечо и в питающую диагональ (рис. 7). В этом случае уменьшается вдвое сопротивление проводов, входящее вместе с термометром в измерительное плечо моста, и поэтому возможная погрешность измерения частично уменьшается. Кроме того, сопротивления соединительных проводов оказываются включенными в прилежащие плечи моста, входящие в разные стороны равенства (9). Поэтому изменение сопротивления этих проводов будет меньше влиять на показания, чем при двухпроводной схеме, а при симметричном мосте, когда, это влияние будет полностью отсутствовать.

Рис. 7. Автоматический уравновешенный мост с трехпроводной схемой включения термометра

Неуравновешенные мосты. Неуравновешенные мосты для измерения температуры с термометрами сопротивления применяются редко. Однако они нашли широкое применение для измерения сопротивления в газоанализаторах, концентратомерах и ряде других средств измерения. Зависимость тока, протекающего через измерительный прибор, в диагонали моста от сопротивлений резисторов схемы и напряжения питания представлена выражением (8). В неуравновешенных мостах в процессе эксплуатации нет необходимости производить какие-либо изменения сопротивлений или переключения. Показания измерительного прибора рассчитаны или отградуированы сразу в значениях измеряемого сопротивления или параметра, влияющего на сопротивление. Как видно из (8), зависимость измерительного тока от измеряемого сопротивления будет однозначной только тогда, когда все остальные элементы схемы не изменяют своих значений, причем вид этой зависимости нелинейный. Например, для случая, когда измеряемое сопротивление, а все остальные плечи мо ста равны:(рис. 8,а), уравнение шкалы будет иметь вид

.(12)

Рис. Схемы неуравновешенного моста: _с одним измеряемым сопротивлением;б-с двумя изменяемыми сопротивлениями, включенным в противолежащие плечи; -с двумя измеряемыми сопротивлениями, включенными в прилежащие плечи

В настоящее время выпускаются миниатюрные показывающие мосты КВМ1 с вращающейся шкалой класса 0,25 и 0,5 и показывающие стрелочные мосты КПМ1 класса 0,5, а также миниатюрные показывающие и самопишущие мосты КСМ1 класса I с диаграммной лентой шириной 100 мм и быстродействием (временем пробега указателем всей шкалы) 2,5 и 5 с. Малогабаритные приборы показывающие я самопишущие типа КСМ2 (с ленточной диаграммой) и КСМЗ (с дисуовон диаграммой) выпускаются класса 0,5 (КСМЗ также класса 0,25) с шириной диаграммы 160 мм и быстродействием 2.5 и 10 с (для КСМЗ также 1 с). Скорость движения диаграммной ленты для КСМ2 может иметь разные значения (20—2000 мм/ч), время оборота диаграммы для КСМЗ составляет 24 ч.

Полногабаритные мосты типа КСМ4 выпускаются класса точности 0,25 с ленточной диаграммой шириной 250 мм и скоростью движения диаграммы от 20 до 54000 мм/ч, одно-и многоточечные; быстродействие 1; 2,5 и 10 с Сопротивление каждого провода линии связи для каждого типа прибора может иметь свое значение, выбираемое из ряда 2,5; 7,5; 10 и 15 Ом.

При измерении очень малых сопротивлений или малых изменений сопротивлений возникает необходимость увеличить коэффициент преобразования

схемы моста. Для этого два аналогичных преобразователя сопротивления, находящихся в одинаковых условиях, включают в противоположные плечи моста (рис. 8,б), Уравнение шкалы в этом случае будет иметь вид

(1З)

т.е. при использовании двух аналогичных преобразователей сопротивления коэффициент преобразования измерительной схемы увеличивается примерно в 2 раза.

Во многих случаях возникает необходимость получать сигнал, определяемый разностью сопротивлений двух преобразователей. Для этого преобразователи включаются в прилежащие плечи неуравновешенного моста (рис. 8,е). Уравнение шкалы в этом случае имеет вид

(14)

Сила токапрактически пропорциональна разности сопротивлений преобразователей. Схемы неуравновешенных мостов с двумя измеряемыми сопротивлениями (рис. 8, б ив) находят широкое применение в измерительных схемах газоанализаторов, концентратомеров, влагомеров и других приборов.

В схемах неуравновешенных мостов в случае необходимости может быть применена трехпроводная схема подключения измеряемого сопротивления, которая позволяет уменьшить или исключить влияние изменения соединительных проводов на показания моста.

К преимуществам неуравновешенных мостов следует отнести простоту схемы, не требующую устройств уравновешивания; возможность применения для измерения малых сопротивлений (за счет уменьшения или даже исключения сопротивления проводников, соединяющих плечи моста). К недостаткам неуравновешенных мостов относятся зависимость показаний от изменения напряжения питания; нелинейность шкалы моста.

Для использования одновременно положительных качеств как уравновешенных, так и неуравновешенных мостов разработана двухмостовая компенсационная измерительная схема, которую иногда называют схемой компаратора напряжений (рис. 9). Двухмостовая компенсационная измерительная схема. Схема состоит из Измерительного I и сравнительного II мостов, питаемых параллельно от одного источника питания. В измерительном мосте одно или два сопротивления представляют собой измерительные преобразователи, так что при изменении их сопротивления относительно начального возникает разность потенциалов, определяемая выражением для

(15)

или для двух преобразователей сопротивления, когда и, а

(16)

В сравнительном мосте сопротивления постоянны и подобраны таким образом, что, а=. Разность потенциаловв этом случае будет равна— той разности потенциалов, которая будет между точками α и , когда .:

(17)

Рис. 9. Двухмостовая компенсационная измерительная схема

Схема построена таким образом, что на реохорде , выполняющем функцию делителя напряжения, происходит компенсация (уравновешивание) разности потенциаловтакой долей отразности потенциалов , что . Если компенсация не выполнена, то и на вход усилителя поступает сигнал, который заставляет перемещаться реверсивный двигатель до тех пор, пока не наступит компенсация, т. е.не будет равно. Работа двухмостовой компенсационной схемы практически не зависит от колебания напряжения питания, так как при изменении напряжения питанияU изменяется разность потенциалови также изменяется. В точке, соответствующей конечной (максимальной) отметке шкалы, изменение напряжения питания даже теоретически не будет влиять [см. (16) и (17)]. Во всех остальных точках влияние будет, но им можно пренебречь. Двухмостовая компенсационная схема имеет практически линейную шкалу. Хотя каждый сигналинелинейно связан со значением сопротивления преобразователя, один из них уравновешивается другим и поэтому положение движка реохорда (делителя напряжения) практически линейно связано с изменением сопротивления.

Двухмостовая схема позволяет измерять очень малые значения или малые изменения сопротивления одного или двух плеч. При использовании двухмостовой схемы в газоанализаторах, влагомерах и других приборах появляются также другие ее преимущества, характерные для конкретных методов и средств измерения.