K měření teploty se používají kovové a polovodičové rezistory [10, 11]. Většina chemicky čistých kovů má kladný teplotní koeficient odporu (TCR), který se pohybuje (v rozsahu 0 ¸ 100 °C) od 0,35 do 0,68 %/K.
K měření teplot se používají materiály, které mají vysoce stabilní TCR, lineární závislost odporu na teplotě, dobrou reprodukovatelnost vlastností a inertnost vůči okolním vlivům. Mezi takové materiály patří především platina. Vzhledem k jejich nízké ceně se široce používají měděné termistory, používá se také wolfram a nikl.
Odolnost platinových termistorů v rozsahu teplot od 0 do +650°C vyjadřuje vztah
kde R – odolnost při 0°C;
Q – teplota ve stupních Celsia.
Pro platinový drát používaný v průmyslových odporových teploměrech, A = 3,96847-10 3/K;
В = – 5,847·10 -7 1/K 2 . V rozsahu od 0 do – 200 °C má závislost odolnosti platiny na teplotě tvar
R т = R [1 + A. Q+ В Q2+ С (Θ – 100) 3],
kde С = – 4,22×10 –12 1/K 3.
Při výpočtu odporu měděných vodičů v rozsahu od – 50 do + 180 ° C můžete použít vzorec
kde α = 4,26×10 –3 1/K.
Pokud potřebujete určit odpor pro měděný termistor R t2(při teplotě Q2) známým odporem R t1(při teplotě Q1), pak byste měli použít vzorec
Volba kovu pro termistor je určena hlavně chemickou inertností kovu k měřenému médiu v požadovaném teplotním rozsahu. Z tohoto hlediska lze měděný konvertor používat pouze do teplot řádově 200°C v atmosféře bez vlhkosti a korozivních plynů. Při vyšších teplotách měď oxiduje. Spodní teplotní limit pro měděné odporové teploměry je – 50°C, i když se zavedením individuální kalibrace je možné je použít až do – 260°C.
Průmyslové platinové teploměry se používají v teplotním rozsahu od –200 do +650°C.
Odporové teploměry patří mezi nejpřesnější snímače teploty. Například platinové termistory umožňují měřit teplotu s chybou řádově 0,001°C.
Polovodičové termistory se od kovových liší menšími rozměry a většími hodnotami TCR.
tks polovodičové termistory (PTR) je záporná a klesá nepřímo úměrně druhé mocnině absolutní teploty: α = Β /Θ 2. Při 20 °C je hodnota TCR 2 – 8 %/K.
Teplotní závislost odporu PTR (obr. 2.17, křivka 2) docela dobře popisuje vzorec
R т = Ae B /Q
kde Θ – absolutní teplota; А – koeficient s rozměrem odporu; В – koeficient mající rozměr teploty. Na Obr. Pro srovnání, obr. 2.17 ukazuje teplotní závislost pro měděný termistor (křivka 1).Pro každý konkrétní PTR koeficienty А и Вjsou zpravidla konstantní.
Nevýhodou polovodičových termistorů je nelinearita závislosti odporu na teplotě (viz obr. 2.17) a značný rozptyl od vzorku ke vzorku jak jmenovité hodnoty odporu, tak konstanty. В, což výrazně snižuje jejich výkon.
Nelinearita charakteristik a technologický rozptyl parametrů termistoru znesnadňují získání lineárního měřítka převodníku, stavbu vícekanálových zařízení a zajištění zaměnitelnosti termistorů nezbytných pro sériovou výrobu teploměrů s termistory.
Konstrukčně jsou průmyslové odporové teploměry vyráběny ve formě citlivých prvků umístěných v ochranných pouzdrech. Citlivým prvkem pro platinové teploměry TSP je bifilární platinová spirála upevněná na slídovém rámu nebo v kapilárních keramických trubicích navíc plněných keramickým práškem. Vývody pro takový prvek jsou obvykle vyrobeny ze stříbrného drátu nebo pásky. U měděných teploměrů TCM je citlivý prvek vyroben ve formě bifilární nebo jednovodičové cívky [10], vinuté bezrámečně nebo na plastovém rámu.
Rýže. 2.17. Vztah relativní změny
Odolnost TCM (1) a PTR (2) ze změny teploty Q
Citlivé prvky teploměrů jsou obvykle umístěny v tenkostěnných kovových pouzdrech a utěsněny. Ochranná pouzdra pro odporové teploměry bývají vyrobena ve formě ochranné trubky se závitovým šroubením a hlavicí, na jejíž svorky lze termistor připojit dvěma, třemi nebo čtyřmi svorkami tak, aby jej bylo možné zapojit do obvodu s dvou-, tří- nebo čtyřvodičové vedení.
Setrvačnost termočlánků a teploměrů je charakterizována jejich časovou konstantou Т, definovaná jako doba potřebná pro změnu výstupní hodnoty konvertoru, přeneseného z prostředí o teplotě 30–35 °C do nádoby s intenzivně míchanou vodou o teplotě 15–20 °C, k dosažení 63 % z ustálené hodnoty rozdílu. Existují termočlánky a odporové teploměry s nízkou setrvačností
(T tp 40 liber za termočlánek a T tp £ 9 s za teploměr), střední setrvačnost (T tp 60 £, T tp £ 80 s), vysoká setrvačnost (T tp 3,5 £ min, T tp £ 4 min) a nestandardní setrvačnost.
Líbil se vám článek? Přidejte si ji do záložek (CTRL+D) a nezapomeňte ji sdílet se svými přáteli:
Polovodičové odporové teploměry jsou vyrobeny z oxidů různých kovů s přísadami. Nejrozšířenější jsou odporové teploměry kobalt-mangan (KMT) a měď-mangan (MMT), sloužící k měření teplot v rozsahu od -90 do +180°C. Na rozdíl od kovových teploměrů odpor těchto teploměrů exponenciálně klesá s rostoucí teplotou, díky čemuž mají vysokou citlivost. Polovodičové teploměry se striktně shodnými charakteristikami však nelze vyrobit, proto se kalibrují individuálně. Nejčastěji se používají jako senzory pro různá automatická zařízení [1,2].
4. Kalibrace odporového tepelného měniče. Dělení technických platinových a měděných odporových tepelných měničů
Odstupňování je operace, během které jsou dílky stupnice přístroje uvedeny hodnoty vyjádřené v zavedených měrných jednotkách. Při kalibraci odporových tepelných převodníků se využívá potenciometrická metoda měření hodnoty odporu odporového teploměru. Přepínač P2 patří, P3 vypnout. Poté v obvodu regulovaného zdroje napětí 2 odporový teploměr bude zapnut sériově Rt (7), příkladná odolnost RN = 100 Ohm a kontrolní miliampérmetr 3. Přes spínač И na přenosný potenciometr PP (1) odporový teploměr lze připojit střídavě Rt nebo příkladný odpor RN. Obvodový proud monitorovaný miliampérmetrem 3, se udržuje konstantní, nepřekračuje 5 mA.
Instalováno ve vodní lázni 10 požadovaná teplota, potenciometr 1 změřte potenciální rozdíly při konstantním proudu v obvodu:
– při standardním odporu: UN =IRN;
– na odporovém teploměru: Ut =IRt.
Hodnota odporu se vypočítá pomocí rovnice: Rt = (Ut/UN)·RN
Odporový teploměr je kalibrován při teplotách 0; 20; 40; 60; 80 a 100 °C. Pro kalibraci při 0°C se odporový teploměr umístí do termostatu s tajícím ledem. Jeho kalibrace při jiných teplotách se provádí pomocí vodní lázně 10, ve kterém se teplota nastavuje šipkou číselníku manometrického teploměru 6. Okamžik měření se určuje vizuálně pomocí standardního rtuťového teploměru 11 5 minut po zastavení změn v jeho údajích.
Získaná data se zanesou do tabulky a vynesou do grafu, jehož úsečka ukazuje skutečné hodnoty teploty ve vodní lázni. 10, určeno údaji standardního rtuťového teploměru ve °C a podél svislé osy – hodnotami odporu odporového teploměru Rt.
5. Měřicí přístroje používané ve spojení s odporovými tepelnými měniči
Jako měřicí přístroje odporových teploměrů se používají poměrové měřiče a vyvážené můstky. U polovodičových tepelných odporů jsou měřícími zařízeními obvykle nesymetrické můstky [1].
Logometry – jedná se o magnetoelektrická zařízení, jejichž pohyblivý systém se skládá ze dvou k sobě pevně spojených rámů, umístěných vůči sobě v určitém úhlu (v krajním případě ve stejné rovině).
Úhel rotace takového pohyblivého systému je funkcí poměru proudů v obou rámech:
kde já1, I2 – proudy protékající rámy.
V určitých mezích neovlivňují kolísání napětí napájecího zdroje údaje na zařízení [1].
Poměroměr tak kombinuje výhody symetrických (nezávislost na kolísání napájecího napětí) a nesymetrických můstků (přímé měření).
Uvažujme schéma logometru (obr. 4). Permanentní magnet je vybaven pólovými nástavci N a S s eliptickými drážkami. Středy vybrání pólových nástavců jsou přesazeny vzhledem ke středu jádra. Mezi pólovými nástavci je válcové jádro z měkké oceli, kolem kterého se otáčí pohyblivý systém dvou rámů – R1 и R2. K rámům je připevněna šipka, která se pohybuje po stupnici odstupňované ve stupních. Vzduchová mezera mezi pólovými nástavci a jádrem je nerovnoměrná. Proto se magnetická indukce mění (nejvyšší hodnota uprostřed pólových nástavců, nejmenší na okraji), která je funkcí úhlu natočení od průměrné polohy.
Proud je do rámů přiváděn z běžného zdroje (suchá baterie). Zarámovaný R1 proud protéká konstantním odporem RV rám R2– přes odpor teploměru Rt. Směr proudů I1 a já2 tak, aby se ukázalo, že krouticí momenty rámů směřují k sobě navzájem a jsou tedy stejné:
kam s1 a2 – konstanty v závislosti na geometrických rozměrech a počtu závitů rámů; B1 a B2 — magnetická indukce v oblasti, kde jsou rámy umístěny [1].
Pokud je odpor rámu stejný a R = Rt, pak já1 = I2, tj. krouticí momenty rámů jsou stejné. V tomto případě je pohyblivý systém ve střední poloze.
Princip činnosti logometru. Při změně odporu teploměru vlivem ohřevu (nebo ochlazení) proteče jedním z rámečků větší proud, naruší se rovnost krouticích momentů a pohyblivý systém se začne otáčet ve směru většího krouticího momentu. . Při otáčení pohyblivého systému spadne rám, kterým protéká větší proud, do mezery s nižší magnetickou indukcí, v důsledku čehož se zmenšuje točivý moment, který na něj působí. Naopak do mezery vstupuje další rám s velkou magnetickou indukcí a jeho moment se zvětšuje. Otáčení rámů pokračuje, dokud se jejich krouticí momenty opět nevyrovnají.
Pro rámy stejného designu z poměru M1=M2 dostaneme:
Při výměně Rt poměr I se mění1/I2. Rámy se otáčejí, dokud v nové poloze rámců nedosáhne poměru B2/В1 nerovná se poměru I1/I2.
Vyvážené můstky (obr. 5). Most se skládá ze dvou konstantních odporů R1 a R.3, odpor R2 (rheochord) a odpor teploměru Rt. Odpor dvou propojovacích vodičů 2Rnp přidán k odporu Rt. V jedné diagonále můstku je zahrnut stejnosměrný zdroj (suchá baterie) a ve druhé nulové zařízení [1].
Když je můstek v rovnováze, čehož se dosáhne pohybem motoru po jezdci, proud v úhlopříčce můstku Iо = 0. V tomto případě jsou potenciály na vrcholech můstku b a d stejné, proud ze zdroje I se větví v horní části můstku do dvou větví R1 a R.3, úbytek napětí na odporech R1 a R.3 stejný:
Úbytky napětí na ramenech můstku be a cd jsou také stejné:
Vydělením rovnosti (1) rovností (2) získáme
Odpor teploměru bude:
Pokud předpokládáme, že se okolní teplota nemění, pak 2Rpr bude trvalý. Potom bude mít rovnice (4) tvar
Při změně odporu Rt můstek lze vyvážit změnou hodnoty odporu jezdce R2.
Jednalo se o tzv. dvouvodičový obvod pro připojení vozidla k měřicímu můstku.
Výhody třívodičového schématu zapojení pro odporový tepelný měnič
V případech, kdy je kolísání teploty prostředí, ve kterém se propojovací vodiče nacházejí, značné a chyba měření může překročit přípustnou hodnotu, se používá třívodičový systém připojení teploměru (obr. 6). Při tomto zapojení odpor jednoho vodiče Rnp přidal k odporu Rt,odpor druhého drátu – na proměnný odpor R2 [1].
Rovnice můstkové rovnováhy má tvar
V případě symetrického mostu (R1 = R3,) dostaneme:
Při změně teploty v místnosti tedy není potřeba počítat se změnou Rpr.
Automatické vyvážené můstky. V automatických elektronických vyvážených můstcích se posuvný jezdec nepohybuje ručně, ale automaticky. Měřicí obvod takových můstků je napájen stejnosměrným i střídavým proudem. V automatických střídavých můstcích mají rozhodující význam aktivní odpory, proto jsou výše uvedené vztahy pro stejnosměrné můstky zachovány i pro automatické střídavé můstky. Ty mají oproti stejnosměrným můstkům řadu výhod: měřicí obvod je napájen z jednoho z vinutí výkonového transformátoru elektronického zesilovače, to znamená, že není potřeba žádný další zdroj energie (suchý článek) a není třeba používat vibrační převodník. [1].
Existují různé modifikace automatických vyvážených můstků, ale princip jejich fungování je stejný. Jako příklad zde uvažujme schéma zapojení elektronického automatického vyváženého můstku na střídavý proud (obr. 7). Konstantní odpory R1, R2, R3 и R4 měřící obvod je vyroben z manganinu a reochord Rp – z manganinu nebo speciální slitiny. Měřicí obvod je napájen střídavým napětím 6,3V.
Rýže. 7. Schematické schéma automatického vyváženého můstku pracujícího na střídavý proud
Nesymetrické napětí na vrcholech můstku а и Ь přiveden na vstup elektronového zesilovače. V něm je zesílena na hodnotu dostatečnou pro pohon reverzního elektromotoru RD. Tento motor, rotující v jednom nebo druhém směru (v závislosti na znaménku nevyváženosti), posouvá šoupátkový motor přes převodový systém, vyvažuje měřicí obvod můstku a také pohybuje indikační šipkou. Pokud je můstek v rovnováze, pak se reverzibilní motor neotáčí, protože na vstup elektronického zesilovače není přiváděno žádné napětí.
Komerčně vyráběné elektronické automatické vyvážené můstky lze použít k měření teploty s tepelnými odpory polovodičů. Vzhledem k velkému rozdílu v charakteristikách kovových odporových teploměrů a polovodičových tepelných odporů je třeba vypočítat měřicí obvod můstku.
Nevyvážené mosty. Možnost přímého čtení teploty je výhodou nevyváženého můstku přes laboratorní vyvážený můstek. Na schematickém schématu nevyváženého můstku (obr. kde R1, R2 и R3 – stálý odpor ramen mostu; R – reostat; RK – kontrolní odpor; Rt – odpor teploměru; Iм – síla proudu procházejícího rámem milivoltmetru [1].
Pro řízení rozdílu potenciálů je k můstkovému obvodu paralelně k teploměru připojen manganinový regulační odpor Rк, rovnající se odporu teploměru při určité teplotě, vyznačené červenou čarou na milivoltmetrové stupnici [1].
Pro kontrolu rozdílu potenciálu Uab spínač je umístěn v poloze 2 a pomocí reostatu R nastavte ručičku milivoltmetru přesně na červenou čáru. Poté se přepínač nastaví do polohy 1 a odečte se na stupnici odpovídající teplotě teploměru.
Nesymetrické můstky jsou napájeny z baterie nebo ze sítě (přes transformátor a usměrňovač). Hodnoty nesymetrických můstků závisí na napětí Uab,, proto se nepoužívají pro průmyslová měření. Tyto můstky se někdy používají v laboratorní praxi, stejně jako v měřicích obvodech jiných zařízení.
V technologii se obvykle používají přístroje, s jejichž pomocí se měření provádějí pouze s určitou předem stanovenou přípustnou hodnotou stanovenou GOST. hlavní (za normálních podmínek) daná relativní chyba. Měřicí přístroje se na základě své hodnoty dělí do tříd přesnosti 0,05 – 4,0. Průmyslové poměrové měřiče a automatické vyvážené můstky jsou ve většině případů vyráběny s třídou přesnosti 0,5; 1,0; 1,5. Například zařízení třídy 1,5 má maximální přípustnou základní sníženou relativní chybu ±1,5 %. Třída přesnosti přístroje je obvykle uvedena na jeho stupnici.
