Учебная практика по метрологии

Цель работы: исследование функций преобразования терморезисторов.

Описание лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят термостат, в котором находятся терморезисторы, выполненный в виде лабораторного макета, термометр и вольтметр. Лабораторная установка представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Лабораторная установка

Методические указания по подготовке к работе.
Тепловой преобразователь представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффициентом, находящийся в теплообмене с ОС. Интенсивность теплообмена проводника с ОС зависит от следующих факторов: скорости газовой или жидкой среды; физических свойств среды: плотности, теплопроводности, вязкости; температуры среды; геометрических размеров проводника и пр. Эту зависимость температуры проводника, следовательно, его сопротивления от перечисленных факторов можно использовать для измерения различных неэлектрических величин.
Принцип использования. Тепло, выделяемое электрическим током в проводнике, окруженном газовой или жидкой средой, расходуется в процессе теплообмена с ОС различными способами: конвекцией, теплопроводностью, окружающей проводник среды, теплопроводностью самого проводника, излучением.
Преобразователи, представляющие собой проводник, нагреваемый током, сопротивление которого определяется температурой теплового равновесия между проводником и средой, называется термосопротивлениями.
Установившиеся температура проводника, следовательно, и его сопротивление, является сложной функцией многих переменных. Поэтому зависимость сопротивления проводника можно использовать для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую или жидкую среду: температуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума).
Уравнение для температурных измерений в проводнике можно представить в виде:
(1)
Здесь Rt - сопротивление при t°C, Ro - сопротивление при 0°С, а – константы, найденные путем измерений сопротивления при температурах, соответствующих точкам кипения воды (100°С), затвердевания цинка (…) и кипения кислорода (–182,96°С) соответственно.
Общий прием измерения этих величин сводится к конструированию приемника, в котором все факторы, за исключением измеряемой величины, возможно меньше влияли бы на температуру проводника при тепловом равновесии. Не вдаваясь в подробности устройства многочисленных типов преобразователей, можно разделить их на две группы:
– термосопротивления, применяемые при измерении скорости, концентрации, плотности среды представляют собой обычно тонкую проволоку (0,02 – 0,1 мм) небольшой длины (1 – 50 мм), укрепленную своими концами в массивных держателях и нагреваемую током до температур 100 – 400○С. Эта проволока находится в непосредственном контакте с испытуемой средой;
– термосопротивления, представляющие собой тонкую проволоку, намотанную на каркас и, обычно, окруженную защитной оболочкой. В этом случае тепло, выделяемое в термосопротивлении, значительно меньше, чем тепло, получаемое проволокой от среды (или отдаваемое среде), температуру которой измеряют. В этом принципиальная разница.
Основным материалом для преобразователей являются чистые металлы (в основном это платина, медь и никель). Лучшим материалом является платина. Зависимость сопротивления от температуры близка к линейной. Диапазон измерения температур –280...+1000°С. Для термисторов (полупроводниковых ТР) характерны малые размеры, малая инерционность и высокая чувствительность, но худшая стабильность.
Выбор материала преобразователя зависит от требований его химической инертности и пределом изменения температуры. Так медный – от –50 до +180°С, никель до 300°С. наилучшими свойствами обладает платина – инертна, от –200 до +650°С.
По используемому материалу они делятся на платиновые (ТСП – термометр сопротивления платиновый) и медные (ТСМ). Диаметр используемой платиновой проволоки 0,05...0.07 мм, медной –0,1 мм. Термометры выпускаются со строго определенными значениями сопротивлений. Наиболее распространенные медные 50М и 100М, платиновые – 50П и 100П (50, 100 Ом при ○С).
Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, колеблющемся (в интервале 0 – 100○С) от 0,35 до 0,68% на 1°С. Зависимость сопротивления этих металлов от температуры не является линейной. Например, для платины зависимость R от t в пределах от 0 до +600°С выражается уравнением:
(2)
где Ro - сопротивление при 0°С.
Для чистой платины А = 3,940*; В = –5,8*.
Основными материалами для изготовления полупроводниковых термосопротивлений являются смесь окислов Mn и Ni и смесь окислов Mn, Ni и Со.
Терморезистор, изготовленный из специального полупроводникового материала называется термистором, такой терморезистор обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
Зависимость можно представить приближенным равенством:
(3)
где Rо – сопротивление термистора при исходной температуре То; Т – температура нагрева термистора, °К; γ – постоянный коэффициент.
Применяют два типа термисторов: стержневой (имеют более высокую электрическую прочность и меньшее реактивное сопротивление) бусинковый (имеют меньшую поверхность охлаждения и большую чувствительность). Чувствительность термисторов лежит в пределах от 10 до 100 Ом/мВт. Достоинство – большая чувствительность и большая устойчивость к перегрузкам. В настоящее время распространены термисторные измерители малой мощности. Недостатком их является ограничение максимального значения измеряемой мощности.
Промышленность выпускает терморезисторы типов ММТ, КМТ-4, МКМТ. Достоинства: высокий отрицательный температурный коэффициент (2,5...4% на 1°С), чувствительность в 6...10 раз выше чувствительности металлического терморезистора, малая теплоемкость и инерционность.
Недостатки: нелинейная зависимость их сопротивления от температуры, большой разброс и нестабильность характеристик от образца к образцу, кроме того, мал температурный диапазон (–100 до +120°С).
Эти приборы используются как датчики для измерения температуры. ∆R/R %
○С
Рисунок 2 – Функция преобразования терморезисторов 1 – типа ММТ-2, 2 – медного

Исследование зависимости сопротивлений терморезисторов от температуры.
Для получения функций преобразования терморезисторов (рисунок 2) нужно измерить их сопротивления при различных температурах. Для этого в работе используется термостат, в котором температура изменяется от (температура воздуха в лаборатории) до 100, ртутный термометр и вольтметр типа В7-38.
Для подготовки лабораторной установки к работе необходимо:
- подключить вольтметр В7-38 к выходу лабораторного макета;
- подключить макет и вольтметр в сеть 220 В, 50 Гц.
- включить макет термостата тумблером "СЕТЬ".
Исследование выполняется путем измерения Rt различных терморезисторов при различных значениях температуры в термостате, которая контролируется ртутным термометром. Значения фиксировать через интервалы температуры в термостате – 10°С.
Результаты наблюдений занести в таблицу 1.
Таблица 1
Температура в термостате °С Сопротивление терморезисторов
2ТСО130
Ом ММТ-1
Ом M11169
кОм ММТ-12
Ом ММТ-4
кОм
20 107,651972 10000 110 100 200
30 111,555666 6666,4 70,1 75,458 142,65
40 115,447832 4560,8 45,978 57,972 103,97
50 119,328469 3194,4 30,954 45,272 77,272
60 123,197579 2285,8 21,341 35,883 58,464
70 127,055161 1667,8 15,035 28,829 44,96

По данным таблицы 1 построить функции преобразования различных типов терморезисторов.
Примечание: на одном графике - для 2ТСО130 и ММТ-12,
на другом - для М11169 и ММТ-4.
∆R/R %
t, 0C




∆R/R %
t, 0C

2. Для терморезистора типа 2ТСО130 (платиновый) определить значения коэффициентов А и В, входящих в формулу (2).
= 99,81 Ом – сопротивление терморезистора при 0°С.
A = 3,9083*10-3 К-1 , B = -5,775*10-7 К-2
3. Определить температурный коэффициент сопротивления терморезисторов 2ТСО130 и ММТ-12 или М11169 и ММТ-4 (по указанию преподавателя) в двух температурных интервалах (в начале и в конце диапазона измерений).
Температурный коэффициент рассчитывался из формулы:

М11169 при Т=200С ɣ= 4000К; Т=700С ɣ=4200К
ММТ-4 при Т=200С ɣ=3000К; Т=700С ɣ=3600К
4. Провести многократное измерение (8