Методы измерения сопротивления для датчиков темпиратуры

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Рассмотрим методы, с помощью которых можно измерять сопротивление металлических датчиков с точностью, достаточной для пересчета его в тем­пературу. Обычный мультиметр тут не подойдет: рядовой прибор измеряет сопротивление с погрешностью порядка 1% от всей шкалы. Поэтому, изме­ряя таким прибором, скажем, сопротивление медного датчика 100 Ом (с кру­тизной менее 0,4 Ом/^С) на пределе 200 Ом, мы получим погрешность в пе­ресчете на температуру градусов в пять, что неприемлемо даже для самых непритязательных радиолюбителей (именно по этой причине термометры на основе мультиметров не годятся в качестве средств калибровки в малом диа­пазоне температур).

clip_image002

Рис. 13.1. Мостик Уитстона

Рассмотрим основную идею проведения таких измерений (рис. 13.1). Она известна еще со времен английского физика Ч. Уитстона (1802—1875), чьим именем и названа показанная на рисунке конструкция из четырех сопротив­лений. Такой «мостик Уитстона», как мы увидим, в той или иной форме ис­пользуется на практике и по сей день. Уитстон прославился еще своими ра­ботами в области телеграфии и рядом других достижений, но приведенная схема, без сомнения, самое выдающееся его изобретение.

Для того чтобы измерить величину сопротивления Rx, положение движка переменного сопротивления R2 устанавливается так, чтобы напряжение в выходной диагонали моста (С/вых) было равно нулю. Если в этот момент из­мерить установленное значение R2 (можно заранее проградуировать его пол­зунок в единицах сопротивления) и отношение сопротивлений резисторов R1 и R3 также известно, то неизвестное сопротивление определяется по формуле

clip_image004

Участвующие в схеме резисторы называются плечами моста. Можно также объединить R2 и R3 в один переменный резистор, включенный по схеме по­тенциометра (С/вых тогда снимается с его движка, а за плечи R2 и R3 прини­маются его части между движком и выводами).

Мостовой способ имеет ряд преимуществ. Во-первых, работа этой схемы в принципе не зависит от напряжения питания, потому что все определяется не абсолютными значениями падений напряжения на резисторах, а их соотно­шением. На практике некоторая зависимость будет иметь место (так как чув­ствительность схемы со снижением питания будет падать), но, тем не менее, в довольно широких пределах это положение соблюдается.

Во-вторых, обеспечить фиксацию момента равенства напряжения в диагона­ли моста нулю (при этом условии мост называется сбалансированным) не-

сравненно проще, чем измерить с достаточной точностью абсолютное значе­ние напряжения или сопротивления. Для того чтобы настроить очень точно ноль вольтметра любого класса точности, никакого специального оборудова­ния не требуется, достаточно замкнуть накоротко его входные клеммы. От вольтметра при этом требуется только одно: как можно более высокая чувст­вительность, потому такие методы отлично работали еще в XIX веке, когда никаких прецизионных приборов еще не существовало.

clip_image006

Рис. 13.2. Принципиальная схема измерителя сопротивления образцового датчика температуры

Так что точность зависит только от сопротивлений. Постоянные резисторы можно подобрать очень точно (на практике используют катушки из мангани­новой калиброванной проволоки или готовые сопротивления класса 0,05). В качестве резистора R2 обычно используют магазины сопротивлений, кото­рые представляют собой по сути дела переменный резистор, составленный из множества постоянных, которые могут коммутироваться с помощью набора десятипозиционных переключателей, называемых декадными. Причем все устроено таким образом, что каждый переключатель связан с сопротивле­ниями в десять раз меньшего или большего номинала, чем соседний.

Принципиальная схема для ручного измерения сопротивления образцового датчика температуры сопротивлением 100 Ом (платинового или медного) с использованием таких средств приведена на рис. 13.2. Магазин сопротивле­ний на ней условно показан в виде переменного резистора Rm. Все резисто­ры, кроме, конечно, измеряемого сопротивления Rt и магазина Rm (а также, возможно, R1, которое лучше подобрать из проволочных)— типа С2-29В. После ручного баланса моста с помощью магазина сопротивлений Rm (вольтметр на выходе должен показать ноль) измеряемое сопротивление Rt

будет определяться по формуле:clip_image008, где Rx есть величина нижней по схеме части сопротивления магазина. Сравнивая Rt с табличным значением [5], можно узнать измеряемую температуру.

Подробности

Инструментальный усилитель на микросхеме DA1 здесь нужен для обеспечения достаточной чувствительности схемы. Его коэффициент усиления выбирается из следующих соображений: допустим, наш мультиметр имеет на самом малень­ком пределе измерения напряжений (200 мВ) чувствительность один знак после запятой, то есть 0,1 мВ (обычная разрешающая способность рядовых мульти-метров). При коротком замыкании его щупов на шкале должны показываться все нули (ноль не сдвинут и не «гуляет»). Некоторую пофешность при измерениях будет вносить всегда наличествующая помеха, поэтому возьмем запас и примем чувствительность его равной 1 мВ. Ток через датчик при выбранных номиналах сопротивлений и напряжении питания будет составлять приблизительно 4,5 мА. Для того чтобы обеспечить необходимую разрешающую способность измерения температуры приборами, которые мы будем конструировать (для большинства применений необходимая и достаточная величина ее составляет 0,1 X), нам надо обеспечить разрешающую способность нашего образцового термометра не менее, чем в два раза более высокую (то есть 0,05 ^’С — ббльшая точность не имеет смысла, см. далее). Зададимся на всякий случай еще меньшей величи­ной— 0,03 ""С. Датчик имеет сопротивление 100 Ом, поэтому при крутизне его характеристики, равной примерно 0,4 %/°С (величина справедлива и для плати­ны, и для меди), изменение сопротивления будет численно равно этой величи­не — 0,4 Ом/^’С. При указанном токе через измерительное плечо моста измене­ние напряжения на диагонали моста составит 1,8 мВ/^’С, то есть при изменении температуры на 0,03 фадуса изменение напряжения составит 0,054 мВ. Нам же-

лательно увеличить это напряжение разбаланса до установленного значения в 1 мВ, отсюда коэффициент усиления инструментального усилителя должен со­ставить примерно 20.

Диапазон значений измеряемой температуры для этого устройства практиче­ски ограничен только возможностями датчика. Подробно погрешности на­шей схемы мы анализировать не будем, только укажем, что с точки зрения точности схема обладает одним недостатком— в ней нескомпенсировано влияние соединительных проводов. Как такая компенсация выполняется, мы узнаем из главы 17, К здесь просто примем, что провода, соединяющие со схемой как датчик, так и магазин сопротивлений, должны быть минимально возможной длины и достаточно большой толщины— сечением не менее 2 мм. Эта схема критична также, кроме точности резистора R1, к выбору ОУ, и при замене следует применять только ОУ с точностными характеристиками не хуже указанных, а также обратить внимание на возможность их работы при напряжении питания ±5 В (см. главу 12).

Заметки на полях

Схему можно украсить, если на выход усилителя параллельно вольтметру подсоединить двухцветный двухвыводной светодиод (с токограничивающим резистором порядка 300—510 Ом). Когда мост находится в разбалансе, свето­диод будет гореть, причем цвет свечения будет зависеть от знака разбаланса, а яркость — от его степени. Когда на выходе установится ноль, светодиод по­гаснет. Разумеется, более-менее точно проконтролировать ноль можно все равно только по вольтметру, но это удобно при значительном уходе темпера­туры — сразу видно, в какую сторону она ушла.

Схема на рис. 13.2 приведена скорее в иллюстративных целях, чтобы понять, как в принципе устроены измерители температуры. Можно ли автоматизиро­вать работу такой схемы? Естественно можно, но на практике осуществить это весьма и весьма непросто: схемотехническое решение должно быть очень тщательно продумано. Теперь вы можете оценить, почему прецизионное оборудование стоит так дорого.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты