Компенсатор точки таяния льда для термопар

Датчики температуры из платины и никеля.

Для точного измерения температуры в диапазоне от —200 до +850 °С чаще всего применяются датчики температуры из никеля или платины. Электрическое сопротивление металлических проводников из­меняется согласно уравнению

где -сопротивление при 0°С (т. е. при 273 К), -сопротивление при температуре

Рис 2.1.1. Допустимые отклонения значений сопротивления и температуры для

измерительных резисторов согласно требованиям стандарта ФРГ DIN 43760.

-температурный коэффициент, равный для платины 3,9* и для никеля 5,39*

Сопротивление при 0°С в большинстве случаев выбирается равным

100 Ом. Такие измерительные резисторы обозначают Pt-100 или №-100. Употреби­тельны также стандартно изготовляемые сопротивления в 500 Ом и 1 кОм. Допустимые отклонения От этих значений в пересчете на градусы по шкале Цельсия, установленные стандартомФРГ DIN 43760, составляют:

- для класса А: ±(0,15 + 0,002Т)°С,

- для класса В: ±(0,3 +0,005 Т)°С,

где температура Твыражена в градусах Цельсия. Эта зависимость графически представлена на рис. 2.1.1.

В табл. 2.1.1 приведены допустимые отклонения для различных температур. Отклонения в градусах Цельсия справедливы для всех номиналов сопротивлений, а отклонения в

омах - только для сопротивлений типа Rt-100.

Для других номиналов сопротив­лений значения отклонений в омах следует умножать на коэффициент * .

Измерительные схемы

Для измерения температуры датчик нужно подключить к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре. Простейшей разновидностью такой схемы является измерительный мост (или мост Уитстона)

(рис. 2.1.2).

Если сопротивление сравнения Rvустановить та­ким образом, что измерительный прибор Gбудет по­казывать отсутствие тока, то оказывается справедли­вым равенство , поскольку верхние парал­лельные сопротивления равны между собой. Преиму­щество такого способа измере­ния заключается в независи­мости результатов от напря­жения питания. Для техниче­ских измерений, когда нужно иметь непосредственные пока­зания температуры, сопротив­ление Rvможно принять по­стоянным, а показания измерительного прибора прокалибровать.

Рис. 2.1.2. Простая изме­рительная схема (мост Уитстона)

для терморе­зисторов (например, Pt-100).

В случае измерения напря­жения оно получается равным

При этом нужно использовать высокоомный вольтметр, так как между точками 1 и 2 не должен протекать ток.

Если же применяется низкоомный амперметр, то между точками 1 и 2 возникает ток короткого замы­кания, определяемый выражением

Где - ток питания. Практически применимая схема показана на рис. 2.1.3. Измерительный ток должен быть очень мал, чтобы не вызывать нагревание резистора , которое может привести к ошибкам измерения. Эта так называемая погрешность самонагрева зависит от подводимой электрической мощности , величины отводимого тепла и приборной постоянной ЕК, называемой коэффициентом самонагрева. Обу­словленное самонагревом повышение температуры можно рассчитать по формуле

где значение температуры при наличии и отсутствии измерительного тока соответственно, Р- подводимая к измерительному сопротивлению мощность (в милливаттах), EK-коэффициент самонагрева (мВт/°С).

Обычно величину ЕКкак характеристику датчика указывают для измерений в воде и воздухе.

Пример:

При измерении температуры воздуха датчиком типа W60/24 (фирма Degussa-Hanau) применена схема, показанная на рис. 2.1.3.

Рис. 2.1.3. Принципиальная схема прибора для измерения температуры.

При имеем .

Коэффициент EK для Pt-100 (W60/24) равен 4мВт/ .

При необходимости измерения с погрешностью не более 0,25 через датчик должен протекать изме­рительный ток, равный лишь

Следовательно, ток должен быть равен 6 мА, а соответствующее ему добавочное сопротивление

Сигналы измерительного моста с помощью мостикового усилителя тока преобразуются в напряжение. При этом сопротивления должны быть вы­полнены в виде 0,1 %-ных металлопленочных резисторов. В зависимости от типа датчика на­ходятся в диапазоне от 1 до 50 кОм. Калибровка из­мерительной схемы осуществляется с помощью потенциометра во втором, неинвертирующем ка­скаде усилителя. Коэффициент усиления этого каскада определяется сопротивлениями . При и измерительный сигнал можно усилить еще примерно в 10 раз. Рези­стор и конденсатор формируют RC- цепочку для фильтрации и демпфирования сигнала. Типичными параметрами являются и

Настройка схемы осуществляется следующим образом.

1. Определить по заданному EK.

2. Впаять и проверить путем измерения падения напряжения на

3. Погрузить датчик температуры в ванну с тающим льдом.

4. Регулировочным потенциометром установить напряжение на нуль.

5. Датчик температуры погрузить в ванну с кипящей водой

( ).

6. Регулировочным потенциометром установить выходное напряжение на 1В.

Если чувствительность недостаточна, то сопротивления следует увеличить. При слишком высокой чувствительности эти сопротивления следует уменьшить.

В качестве можно применять любые выпускаемые промышленностью измерительные резисторы типа Pt-100. Наиболее дешевые датчики типа Pt-100выпускаются в тонкопленочном исполнении. Они состоят из тонкой (0,6 мм) керамической подложки, на которую методом катодного ВЧ - распыления напы­ляется слой платины толщиной около 2 мкм. В на­пыленном слое лазером выжигают орнамент в форме меандра и проводят тонкую доводку. Затем методом термокомпрессионной сварки изготовляют контакт­ные выводы.

После этого для защиты активного платинового слоя от повреждений его еще раз покрывают керами­ческим изолирующим слоем толщиной 10мкм. На рис. 2.1.4 показаны три датчика, изготовляемые та­ким способом фирмой Degussa-Hanau. Номинальные значения сопротивления измерительных резисторов типа Pt-100 при разных температурах приведены в табл. 2.1.2.

Термопары.

Термопары представляют собой чувствительные элементы датчиков, пригодные для измерения в диапазоне температур от 0 до 2300°С, причем, несмотря на высокую разрешающую способность и точность, цена их невысока. Термопары изготовляют путем соединения двух разнородных металлических проводов, например, меди и медно-никелевого сплава, железа и медно-никелевого сплава или платины и платинородиевого сплава. Две такие термопары образуют полный датчик. Если один спай погрузить, например, в тающий лед (0°С), а второй ввести в контакт с объектом измерения, то между спаями возникает поддающаяся измерению термо-ЭДС, составляющая в зависимости от вида термопары 7...75 мкВ/°С (рис. 2.2.1).

В случае термопары из меди и медно-никелевого сплава термо-ЭДС в диапазоне температур О..100°С составляет примерно 40 мкВ/°С. При разности температур спаев в 100 °С получается примерно 4,3 мВ. Для достаточно точного измерения такого незначительного напряжения необходимы дорогие и сложные измерительные усилители. Кроме того, опорная температура всегда должна поддерживаться постоянной или тоже измеряться.

Компенсатор точки таяния льда для термопар.

В последнее время получили распространение также интегральные схемы для измерения с помощью термопар без опорной точки при 0°С. Они содержат внутренний компенсатор точки таяния льда, поэтому достаточно одной термопары. На рис. 2.2.2 показан такой типовой блок (AD594, фирма Analog Devices)

РИС. 2.2.1. Измерение температуры термопарой с использованием

в качестве опорной точки температуры таянии льда (0°С).

для термопары константан - железо. Преобразователь сигнала термопары AD594 линеаризует термо-ЭДС датчика с коэффициентом 10 мВ/°С в интервале измерений 0...300°С. Если собственная температура блока AD594 изменится, то влияние этого изменения можно компенсировать только с помощью соответствующего поправочного коэффициента. Возможные ошибки, обусловленные изменением собственной температуры блока AD594 (дрейфовой погрешностью), показаны на рис. 2.2.3. Они могут достигать 0,6°С. Однако суммарная погрешность схемы может вызывать отклонение измеренной величины от номинального значения в несколько процентов. Таким об разом, этот способ измерения температуры применим лишь для простых схем регулирования. В случае высокоточных измерений потребуются, разумеется, значительно более высокие затраты.

Рис.2.2.2. Измерение температуры термопарой с использованием схемы с внутренним компенсатором точки таяния льда.

Рис. 2.2.3. Дрейфовая погрешность блока AD 594 в интервале температур

от 0до 50 .

Поиск по сайту: