В.А. Старовойтов Контроль температуры с помощью термопреобразователя сопротивления

Министерство образования Российской Федерации Кузбасский государственный технический университет

Кафедра электропривода и автоматизации

КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Технические средства автоматизации»

для студентов направления 551800

Составитель В.А. Старовойтов Утверждены на заседании кафедры Протокол № 3 от 30.03.99 Рекомендованы к печати методической комиссией по направлению 551800 Протокол № 2 от 24.09.99 Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2000

1

1. ЦЕЛЬ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Изучение принципа действия и устройства широко распространенного комплекта технических средств для контактного измерения температуры, состоящего из проводникового термопреобразователя сопротивления и аналогового прибора следящего уравновешивания КСМ - 4.

Получение практических навыков производства измерений указанными выше приборами.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Изучение настоящих указаний, знакомство с устройством стенда и назначением установленных на нем технических средств.

2.2.Проведение серии измерений температуры в камере микрохолодильника при поэтапном ее понижении в установившемся состоянии (5-6 замеров).

2.3.Определение погрешностей измерений.

3.ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать данные об исполнителях, наименование и цель проведения работы. Кроме того необходимо представить экспериментальные данные (результаты замеров) и расчет погрешностей, сведенные в таблицу.

4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Температура - важнейший параметр большинства технологических процессов. Диапазон контролируемых температур и условия их измерения достаточно широки. Поэтому разнообразны как методы измерений, так и технические средства, используемые для этого. Для количественной оценки температур в промышленных технологиях используется международная практическая температурная шкала (МПТШ), основанная на ряде воспроизводимых равновесных состояний, которым соответствуют определенные значения температур (основные реперные точки), и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. В интервалах между температурами реперных

2

точек интерполяцию выполняют по специальным формулам. Эталонным прибором для температур от -259 до +6300С служит платиновый термометр (термопреобразователь сопротивления - по современной терминологии). Именно в области этих температур широко используются термопреобразователи сопротивления (ТС) различных типов. МПТШ, называемая шкалой Цельсия, предусматривает измерения температур t в 0С [1, с.68].

Измерения температуры ТС основаны на свойствах проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление R при изменении их температуры t, т.е. используется зависимость R = f(t). Вид этой функции зависит от природы материала. Наиболее приемлемыми с точки зрения практического использования сравниваемых материалов оказались платина (Pt) и медь (Сu). В нашей стране серийно выпускались и выпускаются платиновые (ТПС) для температур от -260 до +7500С и медные (ТСМ) для температур от -50 до +1800С термопреобразователи сопротивления [1, с. 70; 2, с. 23].

На рис. 1, а показан чувствительный элемент платинового термопреобразователя сопротивления отечественного производства. Он состоит из двух соединенных последовательно платиновых спиралей 1, расположенных в каналаx керамического каркаса 4. К двум верхним концам этих спиралей припаяны платиновые или иридиевородивые (60% родия) выводы 2, к которым приварены выводные проводники, изолированные керамическими бусами. Для крепления платиновых спиралей и выводов в керамическом каркасе используется глазурь (или термоцемент) 3 на основе окисей алюминия и кремния, пространство между платиновыми спиралями заполнено порошком окиси алюминия, который служит изолятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом.

Изготовляют также платиновые ТС, у которых керамический каркас имеет четыре канала. В четырехканальном каркасе монтируют два независимых чувствительных элемента.

Чувствительный элемент медного ТС представляет собой бескаркасную безындукционную намотку 1 из медной проволоки диаметром 0,08 мм (рис. 1, б), покрытую фторопластовой пленкой 2. К намотке припаяны два вывода 3. Для обеспечения виброустойчивости чувствительный элемент помещен в тонкостенную металлическую гильзу, которая заполнена керамическим порошком и герметизирована.

3

							г)
					в)
			б)
	а)

Рис. 1. Чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления: а - платинового; б - медного; в - стержневого полупроводникового; г - бусенкового полупроводникового

Рассмотренные выше термочувствительные элементы для защиты от агрессивных сред и механических воздействий заключаются в стальную защитную арматуру, снабженную в большинстве случаев резьбовым штуцером для установки в объекте (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид термопреобразователя сопротивления: L - длина погружаемой части арматуры; l - длина выступающей части арматуры; 1 - теплочувствительный элемент; 2 - aлюминиевая трубка; 3 - защитный чехол; 4 - выводы; 5 - штуцер; 6 - выступающая часть защитной арматуры; 7 - вкладыш; 8 - головка; 9 - штуцер для подвода соединительных проводов

4

Необходимо иметь в виду, что к ТС может быть подключен лишь один вторичный прибор. При необходимости подключения двух вторичных приборов (один из которых, например устанавливается у объекта измерения, а другой - на центральном пункте управления) следует применять сдвоенные ТС. В сдвоенном термометре имеется два теплочувствительных элемента, электрически не связанных между собой, но помещенных в одну и ту же арматуру и имеющих самостоятельные клеммы для подключения к двум разным приборам.

Выпускаемые технические термопреобразователи сопротивления, как платиновые ТСП, так и медные ТСМ, взаимозаменяемы, т. е. имеют стандартные градуировки (сопротивление обмотки R0 при 00С имеет строго определенное значение). Для точного измерения нужно, чтобы приращение сопротивления преобразователя вследствие изменения измеряемой температуры было заметным. С другой стороны, увеличение сопротивления R0 требует применения более тонкой проволоки, что ведет к уменьшение механической прочности обмотки термометра.

В технических термопреобразователях сопротивления отечественного производства принимались следующие значения R0Ом (в скобках даны обозначения градуировок): для платиновых - 10 (Гр20), 46 (Гр21), 100 (Гр22); для медных - 53 (Гр23), 100 (Гр24). В настоящее время используются другие градуировки с новой аббревиатурой: для ТСП это 1П, 5П, 10П, Гр21, 50П, 100П, 500П, а для ТСМ - 10М, 50М, Гр23, 100М, где число перед буквой соответствует величине R0. Термопреобразователи Гр21 и Гр23 в новых разработках применять нельзя [3, с. 267; 5, с. 94]. Обозначение градуировки ТС обычно выбивается на головке защитной арматуры.

Кроме металлических в измерительной технике достаточно широко применяются полупроводниковые термопреобразователи сопротивления (окислы некоторых металлов). Существенным преимуществом полупроводников является большой температурный коэффициент электрического сопротивления (от 3.10-2 до 4.10-2 1/0С). Вследствие большого удельного электрического сопротивления полупроводников из них можно изготовлять термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической измерительной схемы термометра.

Основным препятствием, ограничивающим широкое внедрение полупроводниковых терморезисторов в промышленность, является

5

плохая воспроизводимость их параметров, что исключает их взаимозаменяемость, а также сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от -60 до +180 0С).

На рис. 1, в показан стержневой терморезистор, представляющий собой цилиндр 1 с контактными колпачками 2, к которым припаяны выводы 3. Цилиндр покрыт краской и обмотан металлической фольгой 4. Снаружи терморезистор защищен металлическим щитом 5, у которого в верхней части имеется стеклянный изолятор 6.

Полупроводниковый элемент 1 бусникового терморезистора (рис. 1 г) имеет форму шарика диаметром 0,5 мм, защищенного стеклянной оболочкой 4 и имеющего электроды 2 из платиновой проволоки диаметром 0,05 мм, соединенные с никелевыми выводами 3. На рис. 3

		представлены температур-
		ные характеристики полу-
		проводниковых и проводни-
		ковых	термопреобразовате-
		лей сопротивления в стати-
		ческих режимах, где Rt - со-
		противление при температу-
		ре t 0C. В динамическом от-
		ношении термопреобразова-
		тель может рассматриваться
		как апериодическое звено 1-
		го порядка [4, с. 31].
		В соответствии с тер-
		минологией, принятой в ав-
		томатике, ТС могут назы-
		ваться	датчиками темпера-
	Рис.3. Статические характеристики	туры, датчиками сопротив-
		ления, терморезисторами, а
	термопреобразователей сопро-
		также термисторами и от-
	тивления
		несены	к разряду парамет-

рических (R - параметр).

Изменение ∆ R как меры температуры регистрируется с помощью мостовых схем или схем постоянного тока со стрелочными приборами (логометрами). Таким образом минимально необходимый комплект для измерения температуры состоит из ТС и измерительного (вторичного)

6

прибора, который выполняется по схеме уравновешенного или неуравновешенного моста либо логометра.

В качестве измерительных приборов для проводниковых ТС обычно используют уравновешенные мосты: неавтоматические (лабораторные) и автоматические (производственные).

Принцип действия первых (рис. 4 а) известен из курса физики. Мост состоит из двух резисторов RI и R3 с равными сопротивлениями, переменного резистора R2, выполненного в виде магазина сопротивлений, и собственно ТС Rt. Мост уравновешен, что регистрируется по отсутствию тока I0 в диагонали моста с помощью нуль-прибора (НП). При этом

	R t = R2	R3	− 2R ПР ,	(1)
		R1

где RПР - сопротивление проводов, соединяющих ТС с мостовой схемой. Нетрудно заметить, что при изменении Rt за счет изменения температуры равновесие достигается только за счет переменного резистора R2. В лабораторном мосте это осуществляется вручную, что неприменимо для производственных условий, т.к. необходимо еще по градуированным таблицам [3, с. 266] (или графику) определить по найденному сопротивлению рабочую температуру.

а)

б)

Рис. 4. Уравновешенный мост с двухпроводной (а) и трехпроводной (б) схемой включения ТС

7

Влияние сопротивления проводов устраняется трехпроводной схемой включения ТС (рис. 4, б) [1, с. 74].

В автоматических уравновешенных мостах движок переменного резистора перемещается автоматически с помощью следящей электромеханической системы, а не вручную. Именно поэтому приборы, обладающие ею, называют приборами следящего уравновешивания (или компенсаторами - ранее). Типичными представителями таких приборов являются приборы единой серии КС [5, с. 137] и КСМ, в частности

(рис. 5).

Рис. 5. Принципиальная схема автоматического моста КСМ-4: Rt- TC; ИМизмерительный мост; УС - усилитель; РД - реверсивный двигатель; РУ - регистрирующее устройство; СД - синхронный двигатель

Автоматический мост КСМ-4 предназначен для непрерывного измерения, записи и регулирования температуры при работе в комплекте с одним из электрических ТС. Прибор (рис. 5) позволяет определять температуру среды по величине электрического сопротивления Rt ТС, находящегося в ней и являющегося одним из плеч мостовой схемы.

Измерение величины изменения электрического сопротивления с использованием мостовой схемы основано на сравнении разности по-

8

тенциалов двух промежуточных точек в параллельно включенных ветвях.

Питание измерительной схемы моста осуществляется от одной из обмоток силового трансформатора напряжением Umax = 6,3 В. Измерительная схема уравновешенного моста включает четыре плеча, три из которых представлены постоянными резисторами R1, R2 и R3, а четвертое - последовательно соединенным ТС Rt, постоянным резистором R4 и общим сопротивлением реохода Rоб. Точки b и d измерительной схемы присоединены к усилителю УС, являющемуся индикатором нарушения равновесия в измерительной схеме.

Если температура среды, в которой находится ТС Rt, неизменна, то мостовая схема находится в равновесии, разность потенциалов в точках b и d равна нулю и напряжение небаланса, подаваемое на усилитель УС, отсутствует. Движок реохода Rp в этом случае неподвижен, а стрелка показывает измеряемое значение температуры.

В случае изменения температуры среды изменится температура ТС Rt, и следовательно, величина его электрического сопротивления. При этом измерительный мост разбалансируется, и в диагонали моста между точками b и d появится напряжение небаланса Udb. Последнее подается на вход усилителя УС, где усиливается по напряжению и мощности, поступает на реверсивный двигатель РД и приводит в движение его ротор, который перемещает механически с ним связанные движок реохода Rp, стрелку и перо по шкале прибора до тех пор, пока измерительный мост не придет в состояние равновесия. Напряжение на входе усилителя УС в этом случае станет равным нулю, электродвигатель РД остановится, а прибор покажет измеряемую температуру.

На точность показаний прибора влияет тщательность подгонки сопротивлений проводов Rл, соединяющих ТС с автоматическим мостом. Для подгонки сопротивлений соединительных проводов до градуированного значения Rс = 2,5 Ом служат резисторы Ry величиной по 2,5 Ом каждый. При градуировании приборов сопротивление каждого провода, идущего от термометра до прибора, принято 2,5 ± 0,01 Ом. Если сопротивление каждого провода меньше 2,5 Ом, то в соединительную линию последовательно включают добавочный резистор, дополняющий сопротивление каждого провода до 2,5 Ом. В производственных условиях ТС может находиться на значительном удалении от вторичного прибора.

9

При колебаниях температуры помещения, в которых прокладываются соединительные провода, величина их сопротивления будет изменяться, что приведет к дополнительной погрешности в показаниях прибора. Для практического устранения указанной погрешности применяют трехпроводную схему соединений термопреобразователя сопротивления с вторичным прибором. В этом случае точка α ′ (см. рис. 5) переносится к ТС. При таком соединении сопротивление одного провода Rпр прибавляется к плечу измерительного моста, включающему ТС, а сопротивление другого провода Rпр прибавляется к соседнему плечу моста с резистором R1. Наряду с рассмотренным автоматическим уравновешенным мостом КСМ-4 в промышленности используются показывающие и записывающие на дисковой диаграмме автоматические мосты КСМЗ; показывающие и записывающие на ленточной диаграмме мосты КСМ1 и КСМ2; показывающие мосты с вращающимся циферблатом КВМ1 и другие модификации. Принципиальные схемы их подобны описанной схеме автоматического моста КСМ4; различаются они только конструкцией отдельных узлов. Некоторые модификации этих приборов оснащаются рядом встроенных устройств, используемых для дистанционной передачи показаний, регулирования и сигнализации [4, с. 495]. Кроме того они могут выполняться с искробезопасной измерительной схемой, что позволяет эксплуатировать их совместно с ТС, установленными во взрывоопасных зонах.

В настоящее время приборы серии КС еще находятся в эксплуатации, но они сняты с производства и их успешно заменяют более современные приборы типов РП-160, Диск-250 и А500, выполненные на микросхемах [5, с. 380]. Сведения об устройстве и возможностях логометров можно найти в книгах [1, с. 77; 5, с. 358].

5. УСТРОЙСТВО СТЕНДА

Стенд выполнен на основе металлической стойки, где и размещены необходимые для проведения работы объект контроля и технические средства измерения (рис. 6). Питание стенда производится от сети переменного тока 220В с подключением через розетку.

Объектом контроля служит термоэлектрический микрохолодильник (МХ) 12, у которого отвод тепла с низкого на высокий температурный уровень осуществляется с помощью проточной холодной воды. Именно поэтому он подключается к водопроводной сети с помощью