Термометрія за допомогою терморезистивних перетворювачів

Вимірювальні кола з терморезистившши перетворювачами температури. Найбільш розповсюджені для промислового вимірювання температури є так звані термометри опору ТО – платинові, мідні та нікелеві.

Під’єднання ТО у вимірювальне коло за допомогою з’єднувальних проводів з опором , може суттєво вплинути на точність вимірювання температури. Для зменшення цього впливу використовують різні способи і схеми під’єднання ТО. Опір з’єднувальних проводів повинен бути підігнаний до значення, при якому градуюється вторинний прилад. Значення цих (градуювальних) опорів вказуються на шкалі приладу або в його паспорті.

Існують дво-, три- та чотирипровідні схеми підключення ТО до вимірювального приладу.

При двопровідній схемі опір ТО разом з опорами ліній вмикаються в одну з гілок вимірювального кола. Підганяння опору з’єднувальних провідників має особливо важливе значення, так як електричний міст із за впливу опору лінії не буде симетричним, тобто не буде в стані рівновазі.

Для зменшення похибок, що з’явилися через невідповідність опору з’єднувальних провідників їх градуювальному значенню, використовують термоперетворювачі з трьома і чотирма виводами й відповідне їх ввімкнення в мостове або компенсаційне коло.

М остові кола. Для вимірювань температури за допомогою ТО використовують, здебільшого, зрівноважені мостові кола. ТО вмикаються в плече моста, яке прилягає до реохорда. При такому ввімкненні рівняння рівноваги для початкового і деякого проміжного значення вимірюваної температури без врахування опорів ліній при відсутності шунтуючого опору , який служить для розширення границь вимірювань, буде мати відповідно вигляд:

звідки .

Отже, зміна опору реохорда в такому вимірювальному колі буде пропорційна зміні 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 і діагональ живлення. При такому ввімкненні для деякого значення , при якому міст буде симетричним, вплив однакових опорів лінії і їх зміни будуть повністю вилучені. І це не порушує умови рівноваги.

Н езрівноважені мости застосовуються в пристроях вимірювання температури рідше ніж зрівноважені. До недоліків незрівноважених мостів належить нелінійність їх функції перетворення, залежність вихідної напруги від напруги джерела живлення. Проте через їх виняткову простоту незрівноважені мости використовуються для вимірювання температури у вузькому температурному діапазоні, коли нелінійністю функції перетворення незрівноваженого моста можна знехтувати. Для мостового кола вихідна напруга:

.

Якщо міст зрівноважений при початковому значенні опору , тобто коли , то для будь-якого іншого значення опору термоперетворювача в границях діапазону вимірювань буде .

Термометрія за допомогою термоелектричних перетворювачів

Найпростіше вимірювальне коло термометра з термоелектричним перетворювачем зображене на (рис. а). За умови, що температура вільних кінців термопари буде незмінною і опір всього вимірювального кола також незмінним, покази мілівольтметра будуть визначатись значенням вимірюваної температури .

Д ля зменшення залежності показів приладу від опору вимірювального кола намагаються дотримати умову , а похибка, яка вноситься зовнішнім (щодо вольтметра) опором вимірювального кола, буде: .

Оскільки функція перетворення термоелектричного перетворювача загалом нелінійна, то для переведення показів мілівольтметра у значення вимірюваної температури необхідно користуватись градуювальною таблицею термоелектричного перетворювача.

Якщо мілівольтметр є складовою частиною термометра і його шкала проградуйована в одиницях вимірюваної температури, то нелінійність функції перетворення термоперетворювача буде врахована в характері шкали приладу, яка відповідно, також буде нелінійною. Для такого приладу вже немає необхідності, щоб .

Обов’язковою умовою при вимірюванні такими приладами, є забезпечення опору всього вимірювального кола приладу його градуювальному значенню, тобто такому значенню , при якому градуювався прилад. Для підганяння опору кола використовується підганяльна котушка (рис. б).

У цьому випадку опір зовнішнього кола не буде причиною похибки. Виникнення похибок буде зумовлюватись лише відхиленням сумарного опору від градуювального значення і спричинятись, наприклад, зміною опору лінії внаслідок зміни температури довкілля. При цьому .

Причиною похибок вимірювання температури може бути також невідповідність температури вільних кінців термоперетворювача градуювальному значенню. Градуювальні характеристики термоелектричних перетворювачів складені для певної температури вільних кінців, звичайно 0°С. Якщо температура вільних кінців не дорівнює градуювальній, то необхідно вводити поправку на зміну термо-ЕРС відносно градуювального значення.

Одним з способів усунення похибки від зміни температури вільних кінців є їх термостатування. Оскільки термостатувати головку термоелектричного перетворювача, де закінчуються термоелектроди (їх вільні кінці), практично неможливо, то необхідно продовжити електроди термоелектричного перетворювача, не спотворюючи його термо-ЕРС з тим, щоб відвести вільні кінці в таке місце, де буде зручно їх термостатувати. Здовжуючі термоелектроди і дроти ЗТЕ (рис. б) не є з тих же дорогих металів, що і основні термоелектроди. Проте вони повинні бути термоелектрично ідентичними з відповідними електродами основної термопари, щоб усунути виникнення паразитних термо-ЕРС.

У промислових умовах для введення корекції від зміни температури вільних кінців на покази приладу звичайно використовують пристрої автоматичного введення поправок компенсаційною напругою. Таким пристроєм може бути мостове коло (рис. в), яке складається з температуронезалежних манганінових опорів і опору з міді чи нікелю, який змінює свій опір залежно від температури. Якщо температура термозалежного резистора, як і температура вільних кінців термопари, буде дорівнювати наприклад 0°С, то міст повинен знаходитись у рівновазі. При відхиленні цієї температури від 0°С, викликана цією зміною температури зміна термо-ЕРС термопари буде компенсовуватись напругою розбалансування моста, викликаною зміною опору .

Для термоелектричного термометра за схемою (рис. в) напруга , що надходить на вхід вимірювального приладу

,

де е_Т - термо-ЕРС термопари; е_ЗТ - паразитна термо ЕРС від неповної термоідентичності матеріалів ЗТЕ та основних термоелектродів; - вихідна напруга розбалансу мостової схеми компенсації СК.

Відповідно похибка такого термоелектричного термометра: ,

де - похибка термоперетворювача; - похибка від неповної термоідентичності; - похибка схеми компенсації; - похибка вимірювального приладу.

С хему автоматичного потенціометра, який призначений для ви-мірювань температури за допомогою термоелек-тричного перетворювача.

Прилад працює так. Термо-ЕРС е_т термо-електричного перетво-рювача зрівноважується вихідною напругою потенціометра, виконаного за мостовою схемою. Якщо , то напруга недокомпенсації після попереднього перетворення і підсилення подається на вхід реверсивного двигуна, який переміщає повзунок реохорда до моменту повної компенсації напруг. Разом з переміщенням повзунка переміщується стрілка приладу, який проградуйований в одиницях вимірюваної температури.

Для автоматичного введення поправок на температуру вільних кінців термоперетворювача в одне з плеч моста ввімкнений термозалежний опір із міді (всі інші опори - термонезалежні манганінові). Термоперетворювач підключається до потенціометра за допомогою здовжуючих термоелектродних проводів. Забезпечується приблизна рівність температури вільних кінців термоперетворювача і температури резистора .