Измерительные цепи терморезисторов

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 27 из 34Следующая ⇒

Измерительные цепи терморезисторов строят обычно или на основе уравновешенных мостов, или используя преобразование сопротивления в напряжение.

На рис. 2-53, а показана упрощенная схема измерительной цепи самопишущего термометра типа КС. Металлический терморезистор R _Θ включается здесь в мост, образованный резисторами R ₁, R ₂, R ₃ и реохордом R _р. Мост питается от источника переменного напряжения 6,3 В через добавочный резистор R _д. Выходное напряжение моста по­дается на усилитель неравновесия УН, управляющий работой двигателя Д, связанного с движком реохорда и пером самописца. Вращаясь, двигатель перемещает движок реохорда до тех пор, пока мост не при­дет в состояние равновесия. Перемещение движка пропор­ционально изменению сопро­тивления R _Θ, и шкала при­бора градуируется по темпе­ратуре.

Как видно из рис. 2-53, a, терморезистор в данном слу­чае присоединен к мостовой цепи с помощью трехпровод­ной линии связи. Благодаря этому уменьшается погреш­ность, вызываемая изменением сопротивления проводов ли­нии. Действительно, сопро­тивления проводов r ₁ и r ₃ включены в соседние плечи моста (последовательно с R _Θ и R ₃), а сопротивление прово­да r ₂ включено последователь­но с источником питания. Та­ким образом, r ₂ вообще не влияет на состояние равновесия, а влияния сопротивлений r ₁ и r ₃ в зна­чительной степени компенсируют друг друга.

Если обозначить буквой h относительное перемещение движка реохорда от нижнего по схеме зажима, то условие равновесия моста в схеме рис. 2-53, а запишется следующим образом:

.

Из этого равенства найдем:

Последнее соотношение позволяет количественно оценить влия­ние нестабильности сопротивлений r ₁ и r ₃ на показания прибора h.

Широкое распространение цифровых вольтметров привело к тому, что в настоящее время получили применение измерительные цепи, основанные на преобразовании сопротивления в напряжение.

На рис. 2-53, б показана схема преобразователя сопротивления в напряжение, содержащая неравновесный мост, в одно из плеч кото­рого включен по трехпроводной схеме терморезистор R _Θ. Благодаря использованию в цепи операционного усилителя ОУ достигается ли­нейная зависимость выходного напряжения U _вых от сопротивления R _Θ. Напряжение на выходе ОУ, которое является напряжением питания моста, равно U = U ₀ (R ₁ + R _Θ + r ₁ + r ₃)/ R ₁.

Выходное напряжениемоста определяется формулой:

.

Если R ₁ = R ₂ = R ₃ = R и R _Θ= R +D R, то

U _вых= U ₀(D R + r ₁ - r ₃)/(2 R).

Как видно из последнего выражения, сопротивления проводов r ₁ и r ₃ компенсируют друг друга и при r ₁ = r ₃ выходное напряжение U _вых = 0,5 U ₀D R / R. Напряжение питания U ₀ ограничивается зна­чением допустимого тока через терморезистор, ток через терморези­стор определяется формулой:

I = U ₀/ R ₁.

Радикальным методом борьбы с влиянием проводов соединитель­ной линии является использование четырехпроводного включения терморезистора. Через терморезистор протекает ток I ₀, задаваемый стабилизатором тока или специальным источником с большим вну­тренним сопротивлением. Таким образом, сопротивления проводов r ₁ и r ₄, а также изменение сопротивления R _Θ не влияют на ток I ₀. Если для измерения напряжения U _вых использовать вольтметр с высоким входным сопротивлением, то сопротивления проводов r ₂ и r ₃ также не повлияют на результат измерения. Так обеспечивается практически полное исключение погрешностей, вызванных нестабильностью со­противлений проводов соединительной линии, а напряжение U _вых, определяется простым соотношением U _вых= I ₀ R _Θ.

Источник тока в цепи четырех­проводной соединительной линии построен на основе операционного усилителя ОУ1 и рези­сторов с сопротивлениями R ₁– R ₄. Как известно, если в такой цепи установить R ₄/ R ₃ = R ₂/ R ₁, то ток I ₀, поступающий в терморезиcтop R _Θ (при условии, что R _т = ¥), будет определяться соотношением:

I = U ₀/ R ₃.

Операционный усилитель ОУ2 обеспечивает поддержание нуле­вого потенциала на нижнем зажиме терморезистора R _Θ вне зависи­мости от сопротивления проводов r ₃ и r ₄. Благодаря этому напряже­ние между проводом r ₂ и землей оказывается пропорциональным R _Θ и отпадает необходимость в использовании дифференциального уси­лителя.

Построенный на основе операционного усилителя ОУ3 неинвер­тирующий усилитель обеспечивает выходное напряжение, равное:

(г)

Если требуется, чтобы при начальном значении сопротивления терморезистора R _Θ = R ₀ обеспечивалось равенство выходного на­пряжения U _вых нулю, то отношение R ₆/ R ₅ следует выбирать в соот­ветствии с равенством R ₆/ R ₅ = R ₀/(R ₃ – R ₀). Тогда U _вых = U ₀(R _Θ – R ₀)/(R ₃ – R ₀).

Вводя в измерительную цепь резистор R ₇, можно скорректировать в некоторых пределах нелинейность преобразования температуры в сопротивление R _Θ (если таковая нелинейность имеется). При введении R ₇ нужно скорректировать значения сопротивлений R ₁ – R ₄ так, чтобы выполнялось равенство:

R ₄(R ₃ + R ₇)/(R ₃ R ₇) = R ₂/ R ₁.

При этом ток I ₀ оказывается равным I ₀ = U ₀/ R ₃ + U _вых/ R ₇.

Подставляя в выражение (г) найденные значения I ₀ и R ₆/ R ₅, получим соотношение

из которого определим как

Подобным путем при правильном выборе элементов цепи удается скорректировать погрешность линейности платинового термометра сопротивления и уменьшить эту погрешность в диапазоне измерения 0–400°С до значения 0,1–0,2°С. Без линеаризации погрешность линейности составляет около 8°С.

Полупроводниковые терморезисторы имеют весьма нелинейную зависимость сопротивления от температуры. Для полупроводниковых терморезисторов разработаны специальные линеаризующие цепи.

Часто одновременно с линеаризацией проводят также унифи­кацию характеристик полупроводниковых терморезисторов, т.е. строят двухполюсники с одинаковыми характеристиками при использовании в них терморезисторов с несколько различающимися параметрами. При этом измерительная цепь, естественно, усложняется. Сопротивление полученного двухполюсника определяется формулой R' _Θ= R ₃+(R _Θ+ R ₁) R ₂/(R _Θ+ R ₁+ R ₂). Путем подбора сопротивлений резисторов R ₁, R ₂ и R ₃ можно совместить реальную харак­теристику с желаемой в трех точках. При этом средняя точка, соот­ветствующая перегибу зависимости сопротивления R' _Θ от темпера­туры, будет при температуре Т _п, если выполнено условие

R₁+R₂= .

Для линеаризации при работе с полупроводниковыми терморе­зисторами можно использовать также нелинейную зависимость напря­жения от одного из сопротивлений в резистивном делителе или не­равновесном мосте.

Познавательные статьи:



Как правильно слушать собеседника

Типичные ошибки при выполнении бросков в баскетболе

Принятие христианства на Руси и его значение

Средства массовой информации США