5. Оформити звіт.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1. Структурна схема терморезисторного термометра. Терморезисторний тер­мо­метр (рис. 1) складається з таких основ­них елементів: первинного вимі­рю­вального перетворювача - термоперетворювача опору (ТО), лінії зв'язку (ЛЗ) та вто­ринного електровимірю­вального приладу (ВП).

Рис.1. Структурна схема терморезисторного термометра.

ТО вміщується в середовище, температура θ_x якого вимірюється, і пере­тво­рює неелектричну величину - температуру θ_x в електричну - опір R_θ . За допо­могою лінії зв'язку ТО під'єднується до ВП, який вимірює значення R_θ. Оскіль­ки значення R_θ пов'язане з θ_x відомою функціональною залежністю, то покази N_Ө вторинного приладу відповідають значенням θ_x і його шкала може бути проградуйована в градусах Цельсія.

2. Термоперетворювачі опору.

Найширше практичне застосування в термометрії мають ТО з платиновими та мідними чутливими елементами типів ТСП і ТСМ (ГОСТ 6651-84.

Діапазони температур застосування: для платинових ТС -260...+1100 °С; мідних -200 ... +200 °С.

В лабораторній роботі використовуються ТО з мідними чутливими елементами, для яких R₀(опір при 0°С) дорівнює 100 Ом або 50 Ом, а відношення опору при 100 °С до опору при 0°С W₁₀₀ = 1,428.

Основні технічні характеристики цих ТО (за ГОСТ 6651-84) наведені в табл. 1 і 2. Зокрема, у табл. 2 подано номінальну статичну характеристику перетворення (НСХП) мідного ТО як температурну залежність відношення W_θ опору R_θ чутливого елемента при температурі θ до опору R₀ при 0 °С. На основі цієї залежності маємо:

(1)

Таблиця 1

Межі допустимих значень основної похибки мідних ТО

Тип ТО	Клас допуску	Діапазон вимірювань температур, °С	Межі допустимих значень основної похибки ТО Δθто,гр при температурі θ°С
ТСМ	В	-200…200	0,25+0,0035 (θ)
	С	-200…200	0,25+0,0035 (θ)

Таблиця 2

Відношення опорів W_θ для мідних ТО з W₁₀₀ = 1,4280 ()

θ , °С	-50	-40	-30	-20	-10	0
Wθ	0,7848	0,8281	0,8712	0,9142	0,9572	1,0000

продовження табл. 2

10	20	30	40	50	60	70	80
1,0428	1,0856	1,1284	1,1712	1,2140	1,2568	1,2996	1,3424

закінчення табл. 2

90	100	120	140	160	180	200
1,3852	1,4280	1,5136	1,5991	1,6847	1,7703	1,8558

3. Вторинні вимірювальні прилади.

3.1. Електронні автоматичні мости.

Для вимірювань температури за допомогою ТО використовують, здебільш­шого, незрівноважені мостові кола. ТО вмикають в плече моста, яке прилягає до реохорда.

Спрощену схему самописного автоматичного моста показано на рис.2, де ТО-термоперетворювач опору; R₁, R₂ ,R₃ - резистори; R_р - реохорд; R_л1, R_л2, R_л3- з'єднувальні проводи.

Рис.2.Спрощена схема автоматичного моста.

При зміні θ_x змінюється опір R_θx і рівновага моста порушується - з'явля­єть­ся напруга U_АВ , яка підсилюється підсилювачем ЕП і подається на керуючий навій реверсивного двигуна РД. Ротор двигуна буде пере­міщувати кон­такт В реохорда до моменту зрівноваження моста, аж поки не стане U_АВ= 0. Кожному значенню θ_x відповідає певне значення R_θx, тобто певне положення контакту В та пов'язаних з ним вказівника. Шкала приладу градуюється безпосередньо в градусах Цельсія.

При такому ввімкненні рівняння рівноваги для початкового і деякого проміжного значення вимірюваної температури без врахування опорів ліній буде мати вигляд:

; (2)

(3)

Звідки

(4)

Отже, зміна опору в такому вимірювальному колі буде пропорційна до зміни опору перетворювача, що викликана зміною вимірюваної температури.

Для зменшення впливу опорів ліній в схемі використовується трипровідне ввімкнення ТО; опір окремих з’єднувальних проводів вмикається відповідно в сусідні плечі моста та діагональ живлення. При такому ввімкненні для деякого значення R_TC , при якому міст буде симетричним, вплив однакових опорів лінії R_л1= R_л2= R_л3 і їх зміни будуть повністю вилучені. Справді, для симетричного моста, коли R₃ +ΔR_p=R₂ – з умови рівноваги моста

(5)

Отримаємо

, (6)

Тобто в чисельнику і в знаменнику лівої частини останнього виразу опори R_л додаються до опорів (R_TC+R_p–ΔR_p), що за значеннями дорівнюють опору R₁ А це не порушує умови рівноваги. При значеннях R_TO, компенсація впливу опо­рів лінії буде дещо неповною, тобто при інших показах моста опори проводів будуть викликати певну похибку, але значно меншу, ніж при двопровідному під’єднанні ТО.

Вітчизняна промисловість випускає автоматичні мости класів точності 0,25; 0,5 і 1,0, для яких межі допустимої основної зведеної похибки, %

₍₇₎

^де ΔR_доп ^{- абсолютна допустима основна похибка, Ом;}

R_норм = R_θк–R _θп –нормуюче значення, яке дорівнює різниці опорів ТО, що відповідають кінцевій θ_к і почат­ко­вій θ_п відміткам шкали моста, Ом (див. (1) і табл. 1); k_T – клас точності моста.

Варіація показів мостів не повинна перевищувати 0,2% від нормуючого значення для приладів класу 0,25 і половини абсолютного значення допустимої основної похибки - для приладів класів точності 0,5 і 1,0.

Автоматичні мости випускаються однокрапковими та багаторапковими; в однокрапкових може встановлюватися реостатний пристрій для дистанційного передаванняі показів, а також сигналізуючий (позиційний регулюючий) при­стрій.

3.2. Цифрові вимірювальні прилади (ЦВП).

Цифрові вимірювальні прилади мають вищу швидкодію і точність, ніж аналогові автоматичні прилади. Вони дають змогу не тільки вимірювати температуру, а й сигналізувати про її відхилення від заданого значення та перетворювати покази у вихідний двійково-десятковий код, придатний для цифрової реєстрації результатів вимірювань і їх опрацювання за допомогою ЕОМ.

В лабораторній роботі для вимірювання температури за допомогою ТО застосовуються цифрові вимірювальні прилади типу А566. Спрощену .схему цифрового термометра з ТО показано на рис.3.

Рис.3. Структурна схема цифрового термометра з ТО

ТО, чутливий елемент якого міститься в середовищі, температура якого вимірюється, за допомогою трьох або чотирьох дротів під’єднується до перетворювача опору в напругу (ПОН). Перетворювач містить джерело струму, що протікаючи по ТО, створює на його опорі R_θ спад напруги U_θ , значення якого залежить від θ_x. Після підсилення за допомогою підсилювача сталої напруги (ПСН) Ця напруга за допомогою аналого-цифрового перетворювача (AЦП) та блока лінеаризації (БЛ) перетворюється у кількість імпульсів, пропорційну до θ_x. Відповідне значення висвічується на табло блока цифрової індикації (БЦІ) в градусах Цельсія.

Зауважимо, що у випадку чотирипровідного під’єднання ТО результат ви­мі­рювання практично не залежить від опору з’єднувальних дротів; при три­про­відному під’єднанні слід забезпечити рівність опорів ліній R_л1 і R_л2. Зокрема, в цифровому приладі типу А566, де використовується трипровідне під’єднання ТО, передбачено операцію налаштування опорів ліній, яка виконується згідно з інструкцією за експлуатацією приладу.

2.4. Похибки вимірювання температури контактними електричними термометрами.

Граничне значення похибки вимірювання температури Ө_х за допомогою ТО і ВЦ (автоматичного моста або цифрового вимірювального приладу), °С

(4)

де Δθ_ТОгр, Δθ_ВПгр - граничні значення похибок термоперетворювача опору ТО і вторинного вимірювального приладу ВП.

Похибка ТО має дві складові: інструментальну, зумовлену відхиленням опору ТО від номінальної статичної характеристики перетворення, і методичну, що виникає через відмінність температури θ_че чутливого елемента ТО від температури θ_x , яка має вимірюватися.

Значення методичної похибки залежить від умов теплообміну між чутливим елементом ТО і навколишнім середовищем. Оcобливо великого значення ця похибка може досягати при вимірюванні нестаціонарних температур, коли через інерційніcть теплоперетворювача температура його чутливого елемента не встигає змінюватися, як θ_x.

На практиці цю похибку намагаються звести до припустимого мінімуму, застосовуючи для цього відповідну конструкцію ТО і так встановлюючи його на об’єкті, щоб забезпечити максимальну однаковість температур θ_че і θ_x.

У цьому випадку при оцінці Δθ_ТОгр можна враховувати тільки інстру­мен­таль­ну складову похибки, значення якої підраховується за формулами, наведеними в табл. 1.

У (4) не входить складова похибки, зумовленої впливом з’єднувальних дротів, бо, як було показано в пп. 3.1 і 3.2, її можна зробити настільки малою, що нею правомірно можна знехтувати.

При використанні автоматичного моста

, ºС (5)

де ΔR_доп- граничне допустиме значення абсолютної похибки моста,що визначається з (3), Ом;

S_ТО - чутливість ТО в області температури θ_x

(6)

Δθ, ΔR_θ –відповідно прирости температури і опору ТО в області точки θ_x.

Для цифрового приладу A566 значення Δθ_вп,гр розраховується за формулами, що подаються в його опису та табл. 3.

Граничне допустиме значення основної відносної похибки ЦВП

(7)

де θ_к - більша з меж вимірювання, °С; θ - показ приладу, °С.

Таблиця З

Технічні характеристики ЦВП А566

Тип ТО	Умовне позначення	Діапазон вимі­рювань температури, °С	Клас точності c/d	Дискретність показів, °С
ТСП	100П	-50...+50	0,25/0,2	0,02
ТСМ	100М, 50М	-50...+100	0,1/0,06	0,01
ТСП,ТСМ	100П, 50М	-200...+200	0,15/0,1	0,02
ТСМ	100М,50М	0...200	0,15/0,1	0,02
ТСП	100П, 50П	0...500	0,2/0,1	0,1
ТСП	10П	0...1000	0,1/0,06	0,1

3. Експериментальне визначення основної похибки і варіації показів автоматичного моста і ЦВП, що працюють з термоперетворювачами опору.

3.1. Для перевірки працездатності автоматичного моста КСМ-2 або циф­ро­вого вимірювального приладу А566 та експериментального визначення відпо­ від­них основної похибки і варіації замість ТО слід під'єднати багатозначну міру електричного опору(магазин опору) МО за схемою, показаною на рис. 4.

Рис.4. Схема визначення основної похибки і варіації показів автоматич­ного моста КСМ-2 або ЦВП типу А566

3.2. Зразковий магазин опору має відтворювати значення опорів в діапа­зо­ні від R_θп до R_θк що відповідають діапазонові вимірювання θ_п ... θ_к дослі­джу­ваного вторинного приладу, з абсолютною похибкою

, (8)

де ΔR_доп- граничне допустиме значення основної абсолютної похибки досліджуваного вторинного приладу, Ом.

Для автоматичного моста ΔR_доп визначається з (3), а для ЦВП відповідне значення

,Ом, (9)

де Δθ_ВП,доп - граничне допустиме значення основної абсолютної похибки ЦВП, визначене за (7) при температурі θ_х =θ_к, °C

S_то - чутливість ТО, визначена з (6) при температурі θ_х =θ_к, Ом/°С.

Крок квантування опору зразкового магазина опору не повинен перевищувати значення

(10)

Технічні характеристики зразкових магазинів опору, що можуть використовуватися в цій роботі, подано в табл. 4, де R – значення вибраного опору;

R_к - максимальне значення опору.

Вибираючи конкретний магазин, треба переконатися, чи задовольняють наведені вище умови такі параметри: діапазон опору, граничне допустиме значення основної похибки та крок квантування.

Таблиця 4

Технічні характеристики зразкових магазинів опору

Тип магазину	Діапазон значень опору, Ом	Граничне допустиме зна­чення основної похибки, %	Крок квантування ΔRкв, Ом
МСР-6Ом	^0,018...11111,128	δR =±(0,02+0,12/R)	0,01
Р483І	0,021...111111,131	δR =±0,02+2·10^-6[(Rк/R)-1]	0,01

3.3. При перевірці працездатності автоматичного моста на зразковому магазині слід встановити опір, що дорівнює R_θп а потім збільшувати опір так, щоб стрілка автоматичного приладу пройшла по всій шкалі від початку до кінця. При цьому не повинно бути ніяких механічних затирань.

3.4. Для визначення основної похибки і варіації показів автоматичного моста необхідно;

1) на зразковому магазині опору встановити такий опір, щоб стрілка автоматичного моста зупинилась на кілька міліметрів зліва від пере­ві­рю­ва­ної позначки θ_р шкали;

2) плавно збільщуючи опір, сумістити стрілку приладу з перевірюва­ною позначкою θ_р і прочитати показ зразкового магазину опору R_N1, Ом;

З) на зразковому магазині опору встановити такий опір, щоб стрілка ав­то­матичного моста зупинилась на кілька міліметрів справа від перевірюваної позначки θ_р шкали;

4) плавно зменшуючи опір, сумістити стрілку приладу з перевірю­ваною позначкою θ_р шкали і прочитати показ зразкового магазину опору R_N2 , Ом. Значення R_N1 і R_N2 записати в табл. 5.

За основну похибку автоматичного моста на даній перевірюваній позначці θ_р шкали береться ΔR_max - більше із двох отриманих значень: ΔR₁ або ΔR₂

; , (11)

де R_θр,ном - номінальне значення опору ТО за НСХП, визначене з табл. 2 при температурі θ_р.

Таблиця 5

Результати експериментального визначення основної похибки і варіації показів автоматичного моста КСМ2.

Перевірюваний показ θр,°С

Тип ТО

Rθр,ном,Ом

RN1, Ом

RN2, Ом

ΔRmах, Ом

ΔRдоп, Ом

ΔRВ, Ом

ΔRВ,доп, Ом

Варіація показів автоматичного моста

(12)

Значення ΔR_mаx не повинно перевищувати й ΔR_доп, а значення ΔR_В не повинно перевищувати ΔR_В,доп яке для автоматичних приладів класів точності 0,5 і 1,0 – становить ΔR_доп/2.

3.5. Щоб підготовити до роботи цифровий прилад А566, треба ввімкну­ти кнопку "Сеть" і прогріти прилад. Потім натиснути кнопку "Калибр", у резуль­таті чого на індикаторному табло має засвітитися число, записане під згаданою кнопкою. Якщо це число відрізняється від записаного більше, ніж на ±2 одиниці молодшого розряду, то обертанням осі під кнопкою треба його підко­рек­ту­вати.

При перевірці працездатності ЦВП А566 необхідно поступово збільшу­вати опір на зразковому магазині від значення R_θп до R_θк і переконатися, що в кожному з розрядів цифрового табло засвічується кожна з цифр від 0 до 9.

3.6. Для визначення основної похибки ЦВП A566 необхідно:

1) на зразковому магазині опору встановити значення опору R_θр,ном, визначене за НСХП (див. табл. 2) для температури θ_р, тобто для показу ЦВП, що перевіряється;

2) записати в табл. 6 показ θ_пок цифрового приладу.

Основна похибка ЦВП

Δθ_ВП= θ_пок– θ_р (13)

Значення Δθ_ВП не повинно перевищувати Δθ_ВП,доп, визначеного за формулами (7) при температурі θ = θ_р. Варіація показів ЦВП А566 не визначається, оскільки вона практично відсутня.

Таблиця 6

Результати експериментального визначення основної похибки ЦВП А566

Перевірюваний показ θр,°С

Тип ТО

Rθр,ном, Ом

Показ ЦВП θпок,°С

ΔθВП, °С

ΔθВП,доп,°С

4. Вимірювання температури за допомогою термоперетворювача опору і заданого вторинного приладу

Для вимірювання зміни температури в печі в часі за допомогою ТО і заданого вторинного приладу (КСМ2 або А566) необхідно розмістити термоперетво­рювач опору в піч і закріпити його в певному положенні.

Перед вмиканням напруги живлення печі ввімкнути вторинний прилад (КСМ2 або А566), прогріти його згідно з інструкцією щодо експлуатації і ви­мі­ряти та записати початкову температуру печі. Потім за допомогою автотрансформатора встановити за вольтметром задану напругу живлення печі U. Момент вмикання цієї напруги береться за початок відліку часу, тобто τ=0. Далі через задані викладачем проміжки часу Δτ вимірюється температура печі θ , тобто визначається залежність θ=f (τ).

Вимірювання проводяться до моменту встановлення в печі заданої температури. Результати вимірювань записуються в табл.

За результатами вимірювань побудувати графік зміни температури печі в часі і визначити час встановлення заданої температури при заданій напрузі живлення печі.

ЗМІСТ ЗВІТУ

1. Завдання.

2. Обгрунтування вибору зразкового магазина опору.

3. Робочі схеми, застосовувані при дослідженнях вторинних приладів та при вимірюванні температури.

4. Технічні характеристики використаних засобів вимірювань.

5. Таблиці результатів експериментів (табл. 5-7).

6. Формули, за якими визначалися значення величин, що входять в таблиці (у загальному вигляді і з прикладами числових значень).

7. Графік залежності θ=f (τ).

8. Висновки.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Поясніть принцип дії автоматичного моста для вимірювання темпера­тури з допомогою термоперетворювача опору.

2. Як в автоматичних мостах зменшується вплив на результат вимірю­вання опорів провідників, що використовуються для під’єднання ТО?

3. Поясніть принцип дії ЦВП для вимірювання температури за допомогою термоперетворювача опору.

4. Назвіть складові похибки вимірювання температури за допомогою ТО і автоматичного моста та ЦВП?

5. Як визначається основна похибка і варіація показів вторинних приладів, що працюють з ТО?

ЛАБОРАТОРНАРОБОТА № 11

ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТЕРМОРЕлектричнИМИ

ТЕРМОМЕТРАМИ

Мета роботи – вивчити принцип дії, основні технічні характеристи­ки та особливості застосування контактних термоелектричних термо­метрів,

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Вивчити принцип дії, основні технічні характеристики та особливості застосування термоелектричних перетворювачів температури та вторинних вимірювальних приладів (аналогових автоматичних потенціо­метрів і цифрових вимірювальних приладів).

2. Відповідно до конкретного запропонованого викладачем завдан­ня вибрати зразковий потенціометр, придатний для визначення основної похибки та варіації показів заданих вторинних вимірювальних приладів,

3. Перевірити працездатність заданих вторинних вимірювальних приладів і визначити їх основну похибку, а також варіацію показів у заданих точках діапазону вимірювань; зробити висновок про відповід­ність основної похибки вимірювальних приладів і варіації їх показів допустимим значенням,

4. За допомогою термоелектричного перетворювача та заданого вторин­ного вимірювального приладу виміряти значення температури вздовж осі печі; накреслити графік розподілу температури вздовж осі печі, оцінити основну похибку вимірювання температури.