Для просмотра прокручивайте колесо мыши

Лабораторная работа поверка термометров сопротивления

Цель работы

1. Ознакомление с принципом действия и техническим устройством термометра сопротивления.

2. Проведение поверки термометра сопротивления.

Устройство и принцип действия термометра сопротивления

Термоэлектрический преобразователь (термометр сопротивления) – измерительный преобразователь температуры, основанный на термоэлектрическом эффекте. Термоэлектрический эффект заключается в генерировании термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов или сплавов, образующих часть одной и той же сети. Пара проводников из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры, называется термопарой [1]. На рис. 1.1 показана конструкция типичного термоэлектрического преобразователя. ТЭП (ТС) включает в себя спай термопары 1, электроизоляционную конструкцию (керамические бусы/трубки) 2, защитный чехол 3, головку 4 и клеммы 5 для подключения компенсационных проводов.

Рис. 1.1. Конструкция термоэлектрического преобразователя (термометра сопротивления): 1 – спай термопары; 2 – электроизоляционная конструкция; 3 – защитный чехол; 4 – головка ТЭП; 5 – клеммы

Термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от -200 до +650 °С.

Принцип действия термометра сопротивления основан на измерении электрического сопротивления проводников или полупроводников с измерением температуры. При увеличении температуры сопротивление ряда чистых металлов возрастает, а сопротивление полупроводников снижается. Измеряя прибором сопротивление чувствительного элемента термометра сопротивления, можно определить его температуру. Чувствительность термометров сопротивления зависит от температурного коэффициента сопротивления материала, из которого изготовлен чувствительный элемент. Температурный коэффициент сопротивления представляет собой относительное изменение сопротивления теплочувствительного элемента термометра при нагревании его на 1 °С. Так, например, сопротивление элемента, выполненного из платиновой проволоки, при изменении температуры на 1 °С изменяется примерно на 39%.

Зависимость сопротивления металлов от температуры в небольшом интервале температур можно приближенно выразить уравнением:

          (1)

где Rt – сопротивление металлического проводника при температуре t, °С;

Rt' - сопротивление того же проводника при температуре t', °С;

- температурный коэффициент сопротивления.          (2)

Для платины αPt≈3,9*10-3(°C)-1, для меди αCu≈4,28*10-3(°C)-1.

Недостаток термометров сопротивления – необходимость в постороннем источнике питания.

В качестве вторичных приборов в комплекте с термометром сопротивления обычно применяются автоматические электронные мосты и логометры. Для полупроводниковых термосопротивлений измерительными приборами обычно служат неуравновешенные мосты.

Следует отметить, что платина наиболее полно отвечает основным требованиям, предъявляемым к материалу чувствительного элемента термометра сопротивления. В окислительной среде она химически инертна даже при очень высоких температурах, но значительно хуже работает в восстановительной среде. В условиях восстановительной среды чувствительный элемент платинового термометра должен быть герметизирован.

Изменение сопротивления платины в пределах температур от 0 до +650 °С описывается уравнением:

         (3)

Где R0, Rt – сопротивления термометра при 0°C и температуре соответственно;

α, β - постоянные коэффициенты, значения которых определяются при градуировке термометра по точкам кипения кислорода и воды.

Цифры указывают значение R0, а буквы – материал ТПС.

В настоящее время еще пользуются номинальными статистическими характеристиками по ГОСТ 6651-2009.


Описание установки и методика проведения работы


При поверке термометра сопротивления используется сухоблочный калибратор PRESYSTA-50N и внешний, стандартный эталонный термометр PRESYSPROBE 1/5 DIN-A-L, поверяемый термометр сопротивления ТПТ-1-4 Pt1000/B/2/-50…300.

Характеристики стандартного эталонного термометра PRESYSPROBE 1/5 DIN-A-L:

Номинальное сопротивление: 100 Ом при температуре 0 °С.
Температурный коэффициент: 0.00385 Ом/°С
Диапазон температур: от -200°С до 420°С
Точность / погрешность: ± 0.030°C

Характеристики поверяемого термометра сопротивления ТПТ-1-4 Pt1000/B/2/-50…300:

Номинальное сопротивление: 1000 Ом при температуре 0 °С.
Температурный коэффициент: 0.00385 Ом/°С
Диапазон температур: от -50°С до 300°С
Допуск по температуре по ГОСТ 6651-2009: ± (0.3 +0,005*|t|), где |t| - абсолютное значение температуры, °C
Класс допуска В
Допуск R0 ± 1,2 Ом

Характеристики сухоблочного калибратора PRESYSTA-50N:

Диапазон температур: От -50 до +155°С
Дискретность: 0.01 °С
Точность / погрешность: ±0.05 ºC (при использовании внешнего стандартного эталона)

Сопротивление соединительных проводов: 0,06 Ом.

Поверка термометра сопротивления ТПТ-1-4 Pt1000/B/2/-50…300 сводится к определению его сопротивления в двух контрольных точках при t=0, и любой другой из диапазона от -5°С до +30°С.

Внешний вид главного экрана (КАЛИБРОВКА):

Порядок проведения лабораторной работы:

Тип поверяемого датчика в Pt-1000/IEC-751(68), тип соединения: 2-х проводное.

1. Задать с помощью сухоблочного калибратора необходимую температуру.

Нажмите «УСТАНОВКА»

Задайте необходимую температуру и нажмите «Enter»

2. Дождаться выхода калибратора на заданную температуру.

3. Снять показания температуры ЭТАЛОННОГО термометра.

4. Снять показания сопротивления поверяемого термометра.

5. Из результата измерения сопротивления ТС вычесть значение сопротивления соединительных проводов.

6. Рассчитать расширенную неопределённость используя ГОСТ 8.461-2009.

11 Расчет расширенной неопределенности поверки термопреобразователей сопротивления в термостате или калибраторе

11.1 Суммарную стандартную и расширенную неопределенности поверки ТС рассчитывают для каждой температуры поверки. При расчете суммарной неопределенности поверки учитывают неопределенность измерений температуры эталонным (образцовым) термопреобразователем сопротивления и неопределенность измеренного значения сопротивления поверяемого ТС. Для расчета используют данные, полученные при проведении измерений (раздел 10), данные, полученные при предварительной экспериментальной оценке неопределенности, связанной со случайными эффектами при измерении в конкретной поверочной лаборатории (по 9.3), а также данные, приведенные в свидетельствах о поверке средств измерений: термостата, калибратора, реперной точки, эталонного термометра и измерительной установки.

11.2 При использовании сухоблочных термостатов (калибраторов) расчет неопределенности, приведенный в настоящей методике и основанный на данных свидетельства о поверке калибратора, относят только к поверке ТС диаметром, не превышающим 6 мм.

11.3 Значение температуры, определенное по показаниям эталонного термометра, рассчитывают по градуировочной характеристике эталонного термометра

tx=ƒ(Rs) (4)

Желтым цветом будут подсвечены значения для расчёта неопределённости в точке 0

tx=0

где Rs- среднеарифметическое значение из результатов измерения температуры, определяемое по формуле

(5)

Rs=100

где N - число измерений сопротивления эталонного термометра, выполненных при градуировке;

N=5 Ri - значение, соответствующее i-му измерению сопротивления эталонного термометра.

11.4 Бюджет неопределенности для температуры, измеренной эталонным термометром, включает в себя следующие составляющие.

11.4.1 Стандартную неопределенность, обусловленную случайными эффектами при измерениях u(rlab1-j) , рассчитывают как СКО среднего значения результатов измерений, выполненных в одном измерительном цикле эталонным термометром по формуле

(6)

где u(rlab1) - СКО единичного измерения температуры эталонного термометра, определенное по 9.3;

Ri - число измерений в одном измерительном цикле.

11.4.2 Стандартную неопределенность, обусловленную нестабильностью температуры в термостате за время всех циклов измерений u(ts) , рассчитывают методом по типу В по формуле

(7)

u(ts)=0,08660254

где tmax, tmin - соответственно максимальная и минимальная температура, измеренная эталонным термометром за время проведения всех измерительных циклов.

11.4.3 Стандартную неопределенность градуировки эталонного термометра u(δtэ) рассчитывают по формуле

(8)

u(δtэ)=0,02

где Uэ - расширенная неопределенность градуировки эталонного термометра при k=2, приведенная в свидетельстве о его поверке (или доверительная погрешность при доверительной вероятности 95%).

11.4.4 Стандартную неопределенность, обусловленную неточностью электроизмерительной установки u(δrs) , при использовании термопреобразователя сопротивления в качестве эталонного термометра рассчитывают следующим образом:

(9)

u(δrs)=0,016666667

где Us - расширенная неопределенность измерения при k=2, приведенная в свидетельстве о поверке установок для измерения сопротивления.

Примечания

1 Если в свидетельстве о поверке установки указан предел допускаемой погрешности ±Δпр , то стандартную неопределенность рассчитывают методом по типу В (нормальное распределение) по формуле u(δrs)=Δпр/3 .

Δпр=0,05

2 Если мост работает с внешней образцовой мерой сопротивления и известны стандартная неопределенность измеряемого отношения S=RTS/Rобр , а также стандартная неопределенность градуировки меры u(δRобр) , то стандартную неопределенность измерения сопротивления ТС u(δrs) определяют по формуле

(10)

11.4.5 Стандартную неопределенность, вызванную ограниченной разрешающей способностью отсчетных устройств электроизмерительной установки u(δrrs) , оценивают по типу В по формуле

(11)

u(δrrs)=0,005773503

где ±ars - разрешающая способность установки для измерения сопротивления эталонного (образцового) термометра.

±ars=0,01

11.4.6 Стандартную неопределенность, обусловленную нестабильностью эталонного (образцового) термометра за межповерочный интервал , оценивают методом по типу В по формуле

(12)

u(δtT)=0.0057735

где ±aT - интервал возможного изменения показаний эталонного термометра в тройной точке воды, определенный экспериментально при периодической поверке эталонного (образцового) термометра и приведенный в свидетельстве о его поверке.

±aT=0,01

11.5 Составляют бюджет неопределенности измерений температуры эталонным (образцовым) термометром (см. таблицу 2).

Таблица 2 - Бюджет неопределенности измерений температуры эталонным (образцовым) термометром

11.6 Суммарную стандартную неопределенность результата измерения температуры эталонным термометром рассчитывают по формуле

(13)

uc(tx)=0,09079892

Примечание - Расчет неопределенности измерения температуры при использовании эталонных термометров, для которых характерны другие функции преобразования, проводят аналогично вышеизложенному.

11.7 Значение сопротивления градуируемого ТС при температуре tx-Rk(tx) рассчитывают по формуле

(14)

Rks(tx)=1000,1

Rk(tx)=1000,1

где C2 - коэффициент чувствительности ТС dR/dt , определяемый по уравнению НСХ ТС при температуре ;

δtF1 - поправка, равная изменению температуры по вертикальной оси рабочего объема термостата или калибратора между средней точкой ЧЭ поверяемого ТС и эталонного ТС;

δtF2 - поправка, равная изменению температуры по горизонтальной оси между ЧЭ поверяемого ТС и эталонного ТС (или между каналами блока сухоблочного калибратора).

Среднее значение сопротивления градуируемого ТС при температуре tx-Rks(tx) рассчитывают как среднеарифметическое значение результатов измерения сопротивления ТС при градуировке по 10.3.1 по формуле

(15)

где N - число измерений сопротивления ТС;

Rki - результат i-го измерения сопротивления ТС.

Примечание - Поправки на вертикальный и горизонтальный градиенты температуры вводят по результатам исследований термостата в поверочной лаборатории. Если при поверке термостата или калибратора градиент температуры был определен только в виде пределов отклонения температуры от среднего значения ±aF1 , ±aF2 либо если неизвестна длина ЧЭ поверяемых термопреобразователей, то поправки принимают равными нулю. Градиент учитывают только введением неопределенности по 11.8.4.

11.8 Бюджет неопределенности измерений сопротивления ТС включает в себя следующие составляющие:

11.8.1 Стандартную неопределенность, обусловленную случайными эффектами при измерениях, выполненных в одном измерительном цикле поверяемым ТС, u(rlab2-j) оценивают по формуле

(16)

где u(rlab2) - СКО единичного измерения сопротивления ТС, определенное по 9.3;

Nj - число измерений сопротивления ТС в каждом цикле.

11.8.2 Стандартную неопределенность измерений при поверке электроизмерительной установки u(δrk) рассчитывают следующим образом:

(17)

u(δrk)=0,01666667

где Uk - расширенная неопределенность измерения при k=2, приведенная в свидетельстве о поверке установки для измерения сопротивления ТС.

Примечание - Если в свидетельстве о поверке установки указан предел допускаемой погрешности ±Δпр , то стандартную неопределенность рассчитывают методом по типу В (нормальное распределение) по формуле u(δrk)=Δпр/3.

11.8.3 Стандартную неопределенность, обусловленную ограниченной разрешающей способностью отсчетных устройств электроизмерительной установки u(δrrk), рассчитывают по формуле

(18)

u(δrrk)=0,0057735

где ±ark - разрешающая способность установки для измерения сопротивления ТС.

11.8.4 Стандартные неопределенности, обусловленные вертикальным и горизонтальным градиентами температуры в термостате или калибраторе u(δtF1), u(δtF2) , рассчитывают по формулам

(19)

u(δtF1)=0,1471

u(δtF2)=0,1471

где ±aF1, ±aF2 - диапазон изменения поправок к температуре, оцениваемый экспериментально при поверке термостата или калибратора. Для использования значений ±aF1, ±aF2, в оценках необходимы данные о том, как и с помощью каких по размерам термометров они были получены.

11.9 Бюджет неопределенности измерения сопротивления ТС представлен в таблице 3.

Таблица 3 - Бюджет неопределенности измерения сопротивления градуируемого термопреобразователя сопротивления

11.10 Суммарную стандартную неопределенность измерения сопротивления ТС uc(Rk) оценивают по формуле

(20)

uc(Rk)=0,813319

11.11 Суммарную стандартную неопределенность uc(R) и расширенную неопределенность U поверки ТС в каждой температурной точке рассчитывают по формулам

uc(R)=0,887382

U=1,774763

где k - коэффициент охвата.

11.12 Результат поверки

При k=2 сопротивление градуируемого термопреобразователя при температуре находится в интервале Rk(tx)±U с вероятностью 95% в предположении нормального закона распределения. Неопределенность поверки ТС в единицах температуры рассчитывают делением U на коэффициент чувствительности C2 .

7. Рассчитать отклонение сопротивления поверяемого ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности результата измерения по ГОСТ 8.461-2009.

8. Сделать вывод о годности термопреобразователя сопротивления руководствуясь критериями годности термопреобразователя сопротивления по ГОСТ ГОСТ 8.461-2009.

ТС считают годным и допускают к дальнейшей поверке в том случае, если отклонение его сопротивления от НСХ с учетом расширенной неопределенности результата измерения не превышает допуск соответствующего класса, т.е. выполнены одновременно два неравенства:

(RK(tx)-RНСХ(tx)+U)/(dR/dt)≤+∆tX,

(RK(tx)-RНСХ(tx)+U)/(dR/dt)≤-∆tX, (4)

Где RK(tx) - среднее значение сопротивления поверяемого ТС, Ом;

tx - средняя температура, измеренная эталонным термометром, °C;

RНСХ(tx) - значение сопротивления ТС по НСХ при заданной температуре, Ом;

U - расширенная неопределенность результата измерения сопротивления ТС, рассчитанная по методике, изложенной в ГОСТ 8.461-2009, Ом;

dR/dt - чувствительность ТС по НСХ при заданной температуре, Ом/°С;

∆tX - допуск ТС по ГОСТ 6651-2009 при температуре, °C.

9. Оформить результаты поверки в соответствии с ГОСТ 8.461-2009.

Контрольные вопросы

1. Назовите типы термометров сопротивления и объясните принцип их действия.

2. Назовите достоинства и недостатки термометров сопротивления.

3. Изложите методику поверки термометров сопротивления.

4. Как определяют абсолютные и относительные погрешности для термометров сопротивления?

5. Приведите примеры использования термометров сопротивления в системах автоматического контроля и регулирования.