Измерительные цепи терморезисторов

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

На рисунке 8.7 а показана упрощённая схема измерительной цепи самопишущего термометра типа КС. Металлический терморезистор Я0 включается здесь в мост, образованный резисторами Rb R2 и R3 и реохордом Rp. Мост питается от источника переменного напряжения 6,3 В через добавочный резистор Яд. Выходное напряжение моста подаётся на усилитель неравновесия УН, управляющий работой двигателя М, связанного с движком реохорда и пером самописца. Вращаясь, двигатель перемещает движок реохорда до тех пор, пока мост не придёт в состояние равновесия. Перемещение движка пропорционально изменению сопротивления Rt, шкала прибора градуируется по температуре.

Мостовые схемы включения терморезисторов

Рис. 8.7. Мостовые схемы включения терморезисторов

Как видно из рисунка 8.7 а, терморезистор в данном случае присоединён к мостовой цепи с помощью трёхпроходной линии связи. Влагодаря этому уменьшается погрешность, вызываемая изменением сопротивления проводов линии. Действительно, сопротивления проводов гг и гз включены в соседние плечи моста (последовательно с Rt и R3), а сопротивление провода г2 включено последовательно с источником питания. Таким образом, г2 вообще не влияет на состояние равновесия, а влияния сопротивлений гг и г3 в значительной степени компенсируют друг друга.

Если обозначить буквой т относительное перемещение движка реохорда от нижнего по схеме зажима, то условие равновесия моста в схеме рисунке 8.7 а запишется следующим образом:

Из этого равенства соответственно найдём

Последнее соотношение позволяет количественно оценить влияние нестабильности сопротивлений гг и г3 на показания прибора т.

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

На рисунке 8.7 б показана схема преобразователя сопротивления в напряжение, содержащая неравновесный мост, в одно из плеч которого включён по трёхпроводной схеме терморезистор R0.

Благодаря использованию в цепи операционного усилителя ОУ достигается линейная зависимость выходного напряжения Нвых от сопротивления R0. Напряжение на выходе ОУ, которое является напряжением питания моста, равно U =U0 (Rj + Rt + гг + r3) / Rv Выходное напряжение моста определяется как

Если R} = R2 = R3 = RhR0 = R + AR, то

Как видно из последнего выражения, сопротивления проводов гг и г3 компенсируют друг друга. При г3 = г3 выходное напряжение ?/вых = = 0,5l/0AR / R. Напряжение питания U0 ограничивается значением допустимого тока через терморезистор, ток через терморезистор определяется формулой

Радикальным методом борьбы с влиянием проводов соединительной линии является использование чётырёхпроводного включения терморезистора. Четырёхпроводное включение показано на рисунке 8.8 а. Через терморезистор протекает ток /0, задаваемый стабилизатором тока или специальным источником с большим внутренним сопротивлением.

Четырёхпроводное включение терморезисторов

Рис. 8.8. Четырёхпроводное включение терморезисторов

Таким образом, сопротивления проводов г1 и г4, а также изменение сопротивления Rt не влияют на ток /0. Если для измерения напряжения ивых использовать вольтметр с высоким входным сопротивлением, то сопротивления проводов г2 и г3 также не повлияют на результат измерения. Так обеспечивается практически полное исключение погрешностей, вызванных нестабильностью сопротивлений проводов соединительной линии, а напряжение [/вых определяется простым соотношением

Один из возможных вариантов цепи с источником тока и четырёхпроводной соединительной линии показан на рисунке 8.8 б. Источник тока здесь построен на основе операционного усилителя DA1 и резисторов с сопротивлениями R^R4. Как известно, если в такой цепи установить R4 / R3 = R2 / Rb то ток 10, поступающий в терморезистор К0 (при условии, что R7= оо), будет определяться соотношением I=U0 / R3.

Операционный усилитель DA3 обеспечивает поддержание нулевого потенциала на нижнем зажиме терморезистора R вне зависимости от сопротивления проводов г0 и г4. Благодаря этому напряжение между проводом г2 и землёй оказывается пропорциональным R3, поэтому отпадает необходимость в использовании дифференциального усилителя.

Построенный на основе операционного усилителя DA3 неинвертирующий усилитель обеспечивает выходное напряжение, равное

Если требуется, чтобы при начальном значении сопротивления терморезистора Яи = R0 обеспечивалось равенство выходного напряжения (С/вых нулю, то отношение Яи / R5 следует выбирать в соответствии с равенством Я0 / Я5 = R0 / (R3 - Я0). Тогда 17вых = Н0е - R0) /3 - Я0).

Вводя в измерительную цепь (рис. 8.8 б) резистор R7, можно скорректировать в некоторых пределах нелинейность преобразования температуры в сопротивление Яе (если таковая нелинейность имеется). При введении R7, нужно скорректировать значения сопротивлений —R4 так, чтобы выполнялось равенство R43 + Я7) / (R3 • Я7) = Я2 / / При этом ток 10 оказывается равным I = U0 / R3 + UBblx / R7 .

Подставляя в выражение (8.15) найденные значения /0 и К6 / К5, получим соотношение

из которого определим Нвых как

Подобным путём при правильном выборе элементов цепи удаётся 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 (кривая 1 на рис. 8.9 а). Для полупроводниковых терморезисторов разработаны специальные линеаризующие цепи.

Простейшая из таких цепей образуется при шунтировании полупроводникового терморезистора постоянным сопротивлением, как это показано на рисунке 8.9 б.

Линеаризованное сопротивление R'0 - R0R1 /0 + Rx) изменяется в зависимости от температуры в соответствии с кривой 2 на рисунке 8.9 а.

Для того чтобы получить точку перегиба кривой 2 при заданной температуре Тпп целесообразно задать в середине диапазона измеряемых температур), нужно выбрать в соответствии с формулой

где Тп — абсолютная температура, К; Ятп — сопротивление терморезистора, соответствующее температуре Тп.

Измерительные цепи полупроводниковых терморезисторов

Рис. 8.9. Измерительные цепи полупроводниковых терморезисторов

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. Один из возможных вариантов унифицирующей цепи показан на рисунке 8.9 в. Сопротивление полученного двухполюсника определяется формулой RQ = R3 +0 + + Ri)R2 / (Rq + Ri + R2)• Путём подбора сопротивлений резисторов Rb R2 и R3 можно совместить реальную характеристику с желаемой в трёх точках. При этом средняя точка, соответствующая перегибу зависимости сопротивления В0 от температуры, будет при температуре Тп, если выполнено условие Rl + R2 - R^^B -П) • (В + 2ТП).

Для линеаризации при работе с полупроводниковыми терморезисторами можно использовать также нелинейную зависимость напряжения от одного из сопротивлений в резистивном делителе или неравновесном мосте. На рисунке 8.9 г показана цепь подобного рода, содержащая операционный усилитель ОУ. В этой цепи напряжение с делителя Rlt Re подаётся на неинвертирующий вход усилителя ОУ. Сопротивление выбирается в соответствии с выражением (8.18). Сопротивления R3 и R2 определяются исходя из требуемой чувствительности преобразования. Напряжение UBblx находится как

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >