LABORATORIUM MIERNICTWA KOMPUTEROWEGO

Ćwiczenie nr 11

Pomiar oporności w funkcji temperatury

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki temperaturowej elementów oporowych (R = f(T)). Jako przedmiot ćwiczenia służą: opornik małej mocy 100k oraz termistor typu NTC. W zestawach użyto dwóch typów termistorów, różniących się opornością w temperaturze pokojowej i typem obudowy.

2. Moduły pomiarowe wykorzystywane w ćwiczeniu

Zestaw pomiarowy składa się z następujących modułów:

- karta RBR - mostek do pomiaru oporności

- karta TRM - termometr (czujnikiem jest dioda półprzewodnikowa)

- karta przetwornika analogowo-cyfrowego (jako przetwornik AD służy druga karta TRM z pominiętym układem do pomiaru temperatury i umieszczonym na wejściu dzielnikiem napięcia - aby zakres pomiarowy przetwornika pokrył zakres zmian napięcia na wyjściu karty RBR(+/- 10 V). Rozwiązanie takie jest znane z ćwiczeń - pomiary tensometryczne, pomiar natężenie światła.

Ogólny opis karty RBR

Karta RBR przeznaczona jest do pomiarów oporności w zakresie od 1 do 100 M w sześciu podzakresach o centrach 100, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M. Pomiar jest realizowany przez pośredni pomiar napięcia nierównowagi mostka oporowego - mierzona oporność umieszczona jest w jednej z gałęzi mostka. Karta nie jest urządzeniem samodzielnym. Do pracy wymaga sterownika Eurodriver - do sterowania zakresami i wzmocnieniem oraz woltomierza o zakresie pomiarowym od -5V do 5V - do pomiaru napięcia nierównowagi mostka (-15V do +15V jeśli planowana jest praca ze wzmocnieniem napięcia niezrównoważenia innym niż 1). W celu automatyzacji pomiaru woltomierz zastępuje się przetwornikiem analogowo-cyfrowym umieszczonym w kasecie EURO np. kartą ADC-2 lub TRM1. Wartość oporności można obliczyć znając wartości napięcia zasilania mostka, napięcia nierównowagi oraz pozostałych oporności w gałęziach mostka.

Schemat blokowy karty RBR

Na karcie pomiarowej RBR znajdują się:

- źródło napięcia stałego 10V (dokładność 5mV),

- mostek oporowy o jednej gałęzi (gałąź odniesienia) zbudowanej z 2 oporników 10k i tolerancji 0,1%, w drugiej gałęzi znajduje się opornik zakresowy R_z przełączany za pomocą układu przekaźników (R_z = 100, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M) i mierzona oporność R_x

- układ przekaźników sterujący zakresem

- precyzyjny wzmacniacz różnicowy o oporności wejściowej 4G i wartościach wzmocnienia 1, 10, 100, 1000 ustawianego cyfrowo

- układ cyfrowy sterujący wzmacniaczem napięcia nierównowagi mostka i układem przekaźników.

Rysunek . realizacja części analogowej karty RBR

Sposób realizacji części analogowej jest schematycznie przedstawiony na rysunku:

Z rysunku widać, że jeśli opornik podłączony do wejść R+, R-

- ma oporność mniejszą od aktualnie podłączonego opornika R_z - to mierzone napięcie jest ujemne

- ma oporność większą od aktualnie podłączonego opornika R_z - to mierzone napięcie jest dodatnie

- ma oporność równą aktualnie podłączonemu opornikowi R_z - to mostek jest w stanie równowagi i mierzone napięcie jest ma wartość 0

- dla R_x →  (R_x >> R_z lub wejścia R+ i R- rozwarte) U_n = 0,5U (czyli +5V)

- dla R_x → 0 (R_x << R_z lub wejścia R+ i R- zwarte) U_n = - 0,5U (czyli -5V)

Fakty te będą wykorzystywane w pomiarze i kalibracji zestawu!

Oporność R_x rezystora (termistora) obliczamy ze wzoru:

Oznaczenia:

R_z - opornik zakresowy - przełączany za pomocą przekaźników (100, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M)

R_x - mierzona oporność

U - napięcie stałe zasilające mostek (10V 5mV)

U_n - napięcie nierównowagi mostka

1. Czujniki

Termistorami są nazywane elementy półprzewodnikowe, których rezystancja silnie zależy od temperatury. Na rysunku przedstawione są przykładowe temperaturowe charakterystyki oporności rezystora metalowego i termistora o oporności malejącej z temperaturą. Wartość bezwzględna temperaturowego współczynnika rezystancji (TWR) termistorów jest znacznie, co najmniej o rząd wartości, większa niż dla metali (TWR dla termistorów w typowym przypadku wynosi -2..-8%/stopień, a może dochodzić dla specjalnych typów do -70..+80%/stopień. Dla metali typowe wartości TWR to najwyżej +0,4%/stopień. Typowy zakres temperatur pracy termistorów półprzewodnikowych to -50..+100°C.

Rysunek . Wykres rezystancji termistora w funkcji temperatury

Czujnik pomiarowy stanowi dioda prostownicza (czujnik temperatury), rezystor 100k, termistor NTC. W danej chwili można mierzyć oporność bądź rezystora, bądź termistora. Wszystkie elementy są umieszczone są w probówce, której koniec wypełniony jest dwutlenkiem krzemu dla powiększenia pojemności cieplnej układu. Pomiar w niskich temperaturach realizuje się przez zanurzenie probówki w ciekłym azocie, zaś w wysokich - przez zanurzenie w gorącej wodzie. Z probówki wyprowadzone jest osiem przewodów - cztery do czujnika temperatury i po dwa do termistora i rezystora. Oznaczenia przewodów:

- czerwony - czerwony - anoda diody

- żółty - niebieski - katoda diody

- brązowy i biały - końcówki rezystora

- czarny i zielony - końcówki termistora.

7. Sposób połączeń

8. Procedura pomiarowa

I. Kalibracja przetwornika.

Przetwornik analogowo-cyfrowy przetwarza napięcie na liczbę, która odczytywana jest przez program sterujący eksperymentem. Do obliczeń oporności potrzebna jest znajomość wartości napięcia wyrażonego w Voltach. Zależność pomiędzy napięciem wyrażonym w jednostkach przetwornika i napięciem w Voltach jest liniowa i przeliczenie następuje w programie po obliczeniu i wpisaniu współczynników kalibracji A_ADC i B_ADC. Zależność ta opisana jest wzorem:

U[V] = u[j.p.] * A_ADC + B_ADC.

u[j.p.] - napięcie w jednostkach przetwornika.

Podczas kalibracji przetwornika AD wykorzystać można właściwości karty RBR - jeżeli jej wejścia są rozwarte (na dowolnym zakresie i przy wzmocnieniu 1) to na wyjście podawane jest napięcie +5V, zaś po ich zwarciu -5V (patrz rysunek z punktu 5).

W ten sposób dokonując pomiaru (bezpośrednio z programu rvt dla współczynników A_ADC=1 i B_ADC=0) przy zwartych i rozwartych wejściach RBR możemy obliczyć współczynniki A_ADC i B_ADC aby wyświetlać napięcie w Voltach. Obliczamy je z układu równań:

5V = A_ADC*u[j.p.]_rozw + B_ADC

-5V = A_ADC*u[j.p.]_zwar + B_ADC

i następnie wpisujemy do programu rvt. Na koniec sprawdzamy, czy przy zwarciu i rozwarciu wejść RBR program wyświetla napięcia +5V i -5V.

II. Kalibracja termometru

Kalibrację termometru wykonujemy na podobnej zasadzie, jak kalibrację przetwornika AD. Zakładamy, ze odczyt temperatury przez moduł TRM jest liniową funkcją temperatury. Dokonujemy pomiaru w dwu znanych temperaturach odniesienia (pokojowej i temperaturze ciekłego azotu), a następnie obliczamy współczynniki A_TRM i B_TRM i wpisujemy je do programu. Układ taki ma postać:

T₁ = A_TRM*T_1jp + B_TRM

T₂ = A_TRM*T_2jp + B_TRM

T₁ - znana temperatura odniesienia (np. pokojowa) wyrażona w [K]

T₂ - znana temperatura odniesienia (np. temperatura ciekłego azotu) wyrażona w [K]

T_1jp, T_2jp - temperatury wyrażone w jednostkach przetwornika (A_TRM=1, B_TRM=0).

Podczas kalibracji termometru należy pamiętać o odczekaniu na ustabilizowanie
się temperatury przed odczytem T_1jp, T_2jp.

III. Pomiar w DOSie

Program do sterowania eksperymentem nazywa się RVT.EXE i znajduje się na dysku D:, w katalogu \eurolab\.

! UWAGA ! Dla każdej serii zapisz na kartce wszystkie parametry pomiaru, współczynniki kalibracji, wzmocnienie, zakres pomiarowy - będą Ci potrzebne przy obróbce wyników.

W zależności od tego, czy badamy charakterystykę rezystora, czy termistora do karty RBR podłączamy przewody o odpowiednim kolorze (patrz punkt 6). Następnie należy dobrać zakres pomiarowy w taki sposób, aby napięcie niezrównoważenia mostka było jak najmniejsze (w ten sposób pomiar będzie dokładniejszy - patrz instrukcja do ćwiczenia pomiar rezystancji). Należy pamiętać, że badana oporność (szczególnie termistora) może się zmieniać w szerokich granicach (nawet o parę rzędów) w zależności od temperatury. Może okazać się konieczne kilkakrotne powtórzenie pomiaru na kilku zakresach i następnie zszycie wyników w jedną charakterystykę np. w programie Origin - oczywiście wyniki każdego pomiaru należy zapisać w pliku o innej nazwie. Właściwy pomiar polega na umieszczeniu probówki z czujnikami w ciekłym azocie (lub gorącej wodzie - w zależności od tego w jakim zakresie temperatur chcemy mierzyć oporność), odczekaniu na ustabilizowanie się temperatury, uruchomieniu procedury pomiarowej programu rvt,.

Obróbka wyników sprowadza się do wykreślenia w programie Origin charakterystyki oporności w funkcji temperatury. W celu obliczenia oporności należy skorzystać ze wzoru z punktu 5, drugiej kolumny pliku z wynikami oraz znajomości zakresu i wzmocnienia karty RBR.

Program do sterowania eksperymentem nazywa się rvt.vi i znajduje się na dysku D:,
w katalogu D:\eurolab\

2. Zadania

R_x =

---