Лабораторная работа. Электрический термометр на основе моста постоянного тока

Цель работы: ознакомиться со схемой термометра и методом измерения электрического сопротивления терморезистора с помощью моста постоянного тока, а также с факторами, влияющими на точность измерения.

Общие положения

Схема электрического термометра на базе моста постоянного тока приведена на рисунке 5.1. Основным элементом схемы электрического термометра является мост постоянного тока, в плечи которого включены постоянные резисторы R₁,R₃, регулировочный R₂ и терморезистор R_x. Питание осуществляется от источника питания Е и подается на одну из диагоналей моста. С другой диагонали снимается выходное напряжение, измеряемое вольтметром V. Из теории электротехники вытекает, что выходное напряжение моста равно

(5.1)

Очевидно, что U_вых = 0, при условии

. (5.2)

Это условие называется балансом моста.

Рисунок 5.1 – Схема электрического термометра

В качестве R_x устанавливается терморезистор, а с помощью регулировочного резистора R₂ настраивается баланс моста по нулевому показанию вольтметра, например, при комнатной температуре. Если терморезистор поместить в исследуемую среду, то последует изменение величины сопротивления терморезистора R_x и, соответственно, наступает дисбаланс моста, т.е. вольтметр на выходе покажет напряжение пропорциональное измеряемой температуре.

Тогда из (5.2) следует, что

(5.3)

Обычно в приборах на мостовых схемах R₂ = R₃ = R и k = 1.

Тогда формула (5.1) примет вид

(5.4)

Отсюда, измеряемое сопротивление равно

(5.5)

Мостовая схема является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности (числитель формулы 5.1). Если напряжение питания моста Е не стабилизировано, то при его вариациях возможна мультипликативная погрешность. Для ее исключения используется компенсационный метод измерения выходного напряжения моста.

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупровод­никовые. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обыч­но применяются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

, (5.6)

где Ro — сопротивление при 0 °С;

α = 1,17 ^оС^-1 — температур­ный коэффициент меди.

Сопротивление терморезистора зависит не только от температуры окружающей среды, но и от проходящего по нему тока. Перегрев медного термометра током не должен превышать 0,4 °С, а платинового - 0,2°С. Для этого ток не должен превосходить 10-15 мА.

По­лупроводниковый терморезистор - термистор - изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьша­ется. Их функцию преобразования обычно аппроксими­руют выражением

, (5.7)

где R_t - сопротивление термистора при температуре Т в Кельвинах;

А и В - постоянные, зависящие от материала и технологии.

В зависимости от типа они могут применять­ся для измерения температур от -100 до +120-600 °С. Их чувствитель­ность в 6-10 раз больше, чем чувствительность металлического тер­морезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие мас­сы и размеры (диаметр от 0,006 до 2,5 мм).

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случа­ях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить темпера­туру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью. Они широко используются, например, в биологии. С помощью термистора, смонти­рованного на острие иглы, можно измерить температуру внутренних органов живого организма. Широкое применение термисторы нахо­дят в различных приборах для температурной коррекции характери­стик приборов.

Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность характеристик. В течение первой недели их сопротивление может измениться на 1-1,5%. В дальнейшем изменение сопротивления термистора происхо­дит медленнее, не превышая 0,2% в год.

В менее ответственных случаях для измерения температуры используются мосты с руч­ным уравновешиванием, в производственных условиях — автомати­ческие. Упрощенная схема автоматического моста показана на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 – Схема автоматического моста для измерения температуры

Измерительная цепь представляет собой мост, состоящий из мангани­новых резисторов R₁-R₃ и терморезистора R_t. Если мост не уравновешен, напряжение измерительной диагонали усиливается и подается на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя через редуктор соединен с движком реохорда R_р и перемещает его так, чтобы напряжение разбаланса уменьшалось.

Терморезистор подключается к мосту с помощью двух или трехпроводного кабеля. Двухпроводный кабель включается последовательно с термометром в одно плечо, что вносит погрешность в измерение. При трехпроводной схеме (см. рисунок 5.2) по одной жиле кабеля к термометру подводится напряжение питания Е, а терморезистор подсоединяется в смежные плечи моста. Одинаковые изменения их сопро­тивлений практически не разбалансируют мост. Таким образом, исклю­чается погрешность, которая могла бы быть при изменении температу­ры кабеля.