РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра
Экспериментальной физики
Атмосферы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
по дисциплине
“Методы и средства гидрометеорологических измерений”.
УРАВНОВЕШЕННЫЕ И НЕУРАВНОВЕШЕННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫСОПРОТИВЛЕНИЯ
Выполни: ст.гр. М-273 Исаев Э.К.
Проверила: Азимова Н.Д.
Санкт - Петербург
Цель работы - познакомиться с различными схемами термометров сопротивления, освоить методику расчета их чувствительности.
Термометры сопротивления изготавливаются на основе датчиков с термозависимой электропроводностью.
Электропроводность большинства материалов в той или иной степени зависит от температуры. Эта зависимость характеризуется значением температурного коэффициента сопротивления a, который определяется как относительное приращение сопротивления резистора при изменении его температуры на 1 К:
(1)
где R 0 - сопротивление резистора при температуре t.
Коэффициент a для большинства чистых металлов имеет порядок ~10-3 
K-1. Значения коэффициента a для некоторых металлов представлены в Приложении 1.
Для металлических сплавов величина a меньше, чем для металлов, составляющих сплав. Ряд сплавов, как, например, константан или манганин имеют a на 2-3 порядка меньше, чем чистые металлы. Металлические сопротивления, изготовленные из материалов с большим a, используют при измерении температуры, их называют терморезисторами. Сплавы с малым a применяются для изготовления постоянных резисторов.
Температурный коэффициент сопротивления для терморезисторов практически постоянен в широком диапазоне температур, что позволяет проинтегрировать уравнение (1) и получить следующую зависимость:
|
|
(2)
где R 0 - сопротивление при температуре 0°C.
Если принять, как это обычно делают, Т 0=273,15 К, и обозначить Т‑Т 0= t (т.е. воспользоваться шкалой Цельсия), то формулу (2) можно представить в виде:
R » R 0 × exp (a t), (3)
имея в виду, что a t <<1, формулу (3) можно представить как:
. (4)
Приборы для измерения температуры, собранные с применением терморезисторов, носят название термометров сопротивления (другое название - резисторные термометры). Электрические схемы, с помощью которых фиксируется сопротивление терморезистора при измерении температуры, могут быть различными. Некоторые из них рассматриваются ниже.
Уравновешенный термометр сопротивления
(уравновешенный резисторный термометр).
Принципиальная схема термометра представлена на рис.1, где Rt - терморезистор, R1, R3, - постоянные резисторы, R2 - регулируемый резистор, GВ - источник тока, R4 - потенциометр, PA - гальванометр.
Нетрудно увидеть, что в данном приборе применена классическая мостовая схема. Если с помощью регулируемых резисторов, входящих в плечи моста (в данном случае, R2) добиться равновесия моста, т.е. отсутствия тока в гальванометре, то сопротивление терморезистора при этом может быть найдено из соотношения:
Rt × R3 = R1 × R2 (5)
Подставляя (4) в (2) и решая его относительно t, получим:
(6)
Таким образом, зная сопротивления трех плеч моста, сопротивление датчика при 0°C и коэффициент a, можно по уравнению (6) рассчитать температуру датчика.
|
|
Чаще всего сопротивления R1, R3 не меняют в процессе измерения, а равновесия моста добиваются изменением третьего регулируемого сопротивления R2. Приведенные выше формулы используют при расчете схем, а градуировку производят сравнением термометра сопротивления с образцовым. Для этого устанавливают соответствие температуры датчика и сопротивления R2 (например, строят градуировочный график, таблицу и т.п.).
 |  | ||
Определим понятие чувствительности термометра. Чувствительность измерительного прибора - это отношение изменения сигнала на выходе прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. В применении к данному случаю, чувствительность уравновешенного термометра сопротивления - это отношение изменения сопротивления R2 к соответствующему изменению температуры при условии равновесия моста. Это определение можно выразить формулой:
где Sутс – чувствительность уравновешенного термометра сопротивления.
Подставив в (7) выражение для R2 из уравнения (5) и выполнив дифференцирование, получим:
 |
 |
Таким образом, чувствительность уравновешенного термометра сопротивления с одним регулируемым плечом тем больше, чем больше сопротивление этого плеча и чем больше температурный коэффициент сопротивления датчика.
Автоматически уравновешивающийся термометр сопротивления
Термометр этого типа представляет собой следящую систему с отрицательной обратной связью. Простейший пример схемы такого термометра изображен на рис.2.
|
|
 |
Мост собран на резисторах Rt, R3, r1, r2. Питание моста осуществляется переменным током, а напряжение разбаланса (разумеется, тоже переменное) подается на усилитель. Усиленный сигнал поступает на управляющую обмотку L1 реверсивного двигателя М. На его опорную обмотку L2 подается напряжение от источника питания, сдвинутое на p/2 по фазе с помощью конденсатора С. При наличии напряжений на L1 и L2 двигатель вращается и приводит в движение каретку самописца с указателем и шкалой. Одновременно с этим изменяется переменное сопротивление r 1 - r 2 , уравновешивая мостовую схему. При достижении равновесия моста напряжение разбаланса исчезает, двигатель останавливается. Изменение сопротивления R t вызывает снова появление сигнала разбаланса, а следовательно, вращение двигателя и уравновешивание моста.
В данном примере следящей системы обратная связь осуществляется через усилитель и двигатель М, который является исполнительным элементом, уравновешивающим мост при появлении сигнала разбаланса.
Сигнал разбаланса, возникающий при понижении температуры, отличается по фазе на p от сигнала, возникающего при повышении температуры.
Проиллюстрируем это, рассмотрев рис. 1. Если мост питать постоянным током, то при изменении температуры (а следовательно, и R t) в ту или другую сторону, изменяется направление тока в диагонали разбаланса, т.е. его знак. В случае питания моста переменным током (рис. 2) аналогом знака является сдвиг фазы на p. Таким образом, разность фаз на обмотках L1 и L2 может быть +p/2 или -p/2 в зависимости от знака изменения температуры. Соответственно изменяется направление движения двигателя М - он вращается по часовой стрелке или против нее, уравновешивая мост.