Ć

wiczenie 3

Pomiary temperatury

20/04/2009

1. Wst

ę

p

Temperatura jest wielkością fizyczną, której dokładny pomiar jest niezmiernie istotny w

wielu dziedzinach nauki i techniki. Klasyczny pomiar termometrem cieczowym jest dość
dokładnym pomiarem, jednak przy dzisiejszym stanie techniki, praktycznie może zostać
wyeliminowany ze współczesnych laboratoriów. Dziś bowiem metod dokładnego pomiaru
temperatury jest wystarczająco dużo, a co więcej pozwalają na wykorzystanie sygnału
uzyskiwanego z czujnika temperatury jako informacji dla układów regulacyjnych bądź
rejestracyjnych, co w przypadku termometrów cieczowych jest niemożliwe.

Każde urządzenie służące pomiarom temperatury, działa na zasadzie przekształcania

wartości temperatury na inną proporcjonalną do niej wielkość fizyczną. W przypadku
termometrów rtęciowych jest to efekt zmiany gęstości cieczy (np.: rtęci) w efekcie jej
podgrzewania lub ochładzania przez umieszczenie w pewnej temperaturze.

W ćwiczeniu zostaną zaprezentowane współcześnie używane czujniki temperatury.

Wykorzystuje się w nich proporcję zmiany wielkości fizycznych, które łatwo można
rejestrować przy wykorzystaniu układów elektronicznych. Będą to termopary wytwarzające
sygnał napięciowy, układ scalony LM35 – wytwarzający sygnał napięciowy ale o innym
sposobie generacji sygnału, Pt100 – rezystory zmieniające wartość oporu elektrycznego wraz
z temperaturą, oraz współczesne, bardzo popularnie używany układ Ds1820, przekształcające
pomiar temperatury na wartość cyfrową i przesyłające go w tej postaci do układu
elektronicznego.

2. Sygnał napi

ę

ciowy – termopara.

Działanie czujników temperatury jako źródeł napięciowych, zostanie zbadane na

przykładzie trzech czujników temperatury: termopary, diody półprzewodnikowej, oraz układu
scalonego LM35. Wytwarzanie sygnału napięciowego w czujnikach związane jest z pewnymi
zjawiskami fizycznymi, które zostaną kolejno omówione.

Termopary zwane też termoelementami, generują napięcie dzięki umieszczeniu końców

elementu w różnych temperaturach. Wytwarzane przez nie napięcie nie nadaje się do zasilania
urządzeń elektronicznych, natomiast świetnie sprawdza się w zastosowaniu do pomiaru
temperatury. Historycznie zjawiska fizyczne na podstawie których pracują termopary
pierwszy odkrył T. Seebeck. Przeprowadził on doświadczenie, w którym, w zamkniętym
obwodzie elektrycznym, wykonanym z dwóch różnych metali, z których każdy umieszczony
został w innej temperaturze popłynął prąd elektryczny. Przedstawiono to na rysunku 1.
Zjawisko powstaje dzięki różnej koncentracji elektronów w każdym z nagrzewanych metali,
co powoduje powstanie różnicy potencjałów na złączu metali, a w sytuacji zamkniętego
obwodu – przepływ prądu elektrycznego. Termopary są niezwykle użyteczne w pomiarach
temperatury, chociaż znane są już praktycznie ponad 100 lat. Ich główną zaletą jest bardzo
szeroki zakres pomiaru temperatur, nawet do 1000 ˚C. Poziomy wytwarzanych sygnałów są
jednak bardzo niewielkie. Sygnały wyjściowe termopar, nawet dla złączy o największych
wartościach zmian napięcia z temperaturą tj. Fe-Konstantan (J) osiągają wartości kilkadziesiąt
mV dla kilkuset stopni Celsjusza (np.: 30,4 mV dla 730˚C). Wymagają więc dokładnych
mikrowoltomierzy napięcia stałego, co utrudnia ich rejestrację. Na rysunku 1 przedstawiono
typową konstrukcję termopary.

Rys 1.

Najpopularniejsze konstrukcje termopar są oznaczane literami: termoelement Fe-CuNi

(żelazo – konstantan) oznaczany jest literą J, termoelement NiCr - NiAl oznaczany jest literą
K.

Pomiar przy wykorzystaniu termopary np.: typu J, polega na pomiarze napięcia

wytworzonego na końcach termoelektrod (na rysunku 1 dołączony jest woltomierz). Jeżeli t

2

– temperatura tzw. spoiny pomiarowej wynosi 150˚C, to napięcie zmierzone przez woltomierz
wynosi 8,010 mV, ale tylko w sytuacji gdy temperatura wolnych końców (złącz do których
podłączany jest woltomierz) wynosi 0˚C. Termoelement bowiem wytwarza napięcie zgodnie
z różnicą temperatur w jakich umieszczono spoinę pomiarową oraz końce termoelektrod.
Zgodnie z oznaczeniami na rysunku 1, wytworzone napięcie jest proporcjonalne do t

2

– t

1

. W

sytuacji gdy spoina pomiarowa zostanie umieszczona w temperaturze t

2

= 150˚C, a

temperatura w jakiej umieszczono t

1

= 20˚C, wtedy napięcie wytworzone na złączu wyniesie

6,991 mV dla różnicy temperatur 130˚C. Wartości napięć odpowiadających danej
temperaturze, odczytuje się z tabeli dla konkretnej konstrukcji termopar.

Zatem procedura pomiaru przy wykorzystaniu termoelementu sprowadza się do

następujących kroków:

•

pomiar temperatury w jakiej umieszczone są końcówki czujnika i zamiana na
wartość odpowiadającą wartości napięcia: np: t

1

= 20˚C = 1,019 mV

•

odczytanie wartości napięcia na woltomierzu. Załóżmy, że odczytano napięcie
11,981 mV

•

sprawdzenie, czy wartość napięcia zmierzonego jest większa od wartości
napięcia odpowiadającego temperaturze otoczenia. W podanym przykładzie jest
większa co oznacza, że temperatury zmierzoną, oraz otoczenia sumujemy,
wynik, otrzymując 13,0 mV. W tabeli wartości zależności siły elektrotermicznej
od temperatury znajdujemy wartość napięcia. Odpowiada to temperaturze
240˚C.

W sytuacji gdy spoina pomiarowa zostanie umieszczona w temperaturze niższej od

temperatury otoczenia t

2

= 5˚C, t

1

= 20˚C, wtedy napięcie wytworzone na złączu będzie

ujemne. Po zsumowaniu z siłą termoelektryczną odpowiadającej temperaturze otoczenia
(1,019 mV - 0,766 mV) otrzymane napięcie przekształcamy zgodnie z poprzednimi
wskazówkami.

Konieczność dokładnej znajomości temperatury w której umieszczone są końce

Metal A

Metal B

t1

t2

Metal A

Metal B

t1

t2

pr

ą

d

elektryczny

V

Rysunek 1. Konstrukcja złącza termopary. W lewej części rysunku widoczny jest zamknięty

obwód termoelektryczny wykonany z dwóch różnych metali (zjawisko Seebecka). W prawej części
rysunku typowy układ pomiarowy termopary, do końców elementu przyłączony jest woltomierz.

czujnika, powodują, że na problem zaczęto patrzeć zupełnie z innej strony. Zamiast dokładnej
kontroli jej wartości, wytwarza się pewną z góry znaną, stałą w czasie wartość temperatury
odniesienia i umieszcza w niej końce termoelektrod. Metoda ta nazywana w literaturze
stabilizacją temperatury odniesienia jest bardzo popularna. W ćwiczeniu zostanie
przedstawiona przy pomocy dwóch różnych temperatur: grzałki specjalnej konstrukcji,
generującej stałą w czasie temperaturę 50˚C, oraz urządzenia zwanego zerostatem,
wytwarzającego przy użyciu ogniw Peltiera 0˚C.

Jedną z prostszych sposobów wytworzenia temperatury 0˚C jest wytworzenie

mieszaniny wody z lodem. Dla dobrze zaizolowanego termicznie zbiornika z mieszaniną,
istnieje możliwość utrzymywania temperatury odniesienia nawet kilka godzin. Nie jest to
rozwiązanie wygodne, wymaga dostarczania w pewnym odstępie czasu lodu do mieszaniny i
odbierania nadmiaru powstającej wody.

Znacznie doskonalszą metodą stabilizacji temperaturowej, jest wykorzystanie

termostatu generującego pewną wartość temperatury. W ćwiczeniu zostanie zaprezentowane
urządzenie dostosowane do współpracy z termoelementem typu J. Urządzenie składa się z
grzałki elektrycznej, do której przymocowane są końce przewodów łączeniowych, oraz
układu kontrolującego temperaturę.

Inną metodą stosowaną w ćwiczeniu jest wykorzystanie wspomnianego wcześniej

zerostatu. Jego działanie oparte jest o półprzewodnikowy element chłodzący zwany ogniwem
Peltiera. Zasada pracy oparta jest o intensywny odbiór energii cieplnej z chłodzonej
powierzchni, co wymaga zasilania układu dużym prądem, i transporcie ciepła do powierzchni
przeciwnej. Wymaga to intensywnego odbioru powstającego ciepła. W tym celu należy cały
układ chłodzić wodą, której przepływ należy włączyć przed jego uruchomieniem. Ogniwo
Peltiera pozwala odpompowywać ciepło z danego obszaru i w konsekwencji uzyskiwać
temperaturę niższą od temperatury otoczenia.

1

2

3

1

2

4

5

6

3

6

7

Rysunek 2. Urządzenia wykorzystujące metodę kompensacji temperaturowej końców

termoelektrod. W lewej części rysunku przedstawiono termostat elektryczny, w prawej
wykorzystanie mieszaniny wody i lodu. Oznaczenia rysunku 1 – termopara, 2 – przewody
łączeniowe, 3 – kompensowane temperaturowo przewody, 4- grzałka elektryczna, 5 – mieszanina
wody i lodu, 6 – izolacja cieplna, 7 – zasilanie obwdodów termostatu

3.Sygnał napi

ę

ciowy – zł

ą

cze półprzewodnikowe

Współczesne elementy półprzewodnikowe, między innymi diody, czy tranzystory, są

wielkim osiągnięciem fizyki ciała stałego. Z powodzeniem wyparły lampy, czy układy
mechaniczne, w większości zastosowań. Otworzyły drogę do zupełnie nowych zastosowań i
rozwiązań technologicznych, niemożliwych wcześniej.

Materiały półprzewodnikowe charakteryzują się bardzo małym przewodnictwem

elektrycznym, silnie zależnym od temperatury. Jedynie w temperaturze 0K, są izolatorami, w
temperaturze pokojowej dysponują już jednak niewielką przewodnością. Ich właściwości
uniemożliwiają ich kwalifikację jako przewodników, oraz jako dielektryków.

Złącze półprzewodnikowe powstaje z połączenia dwóch materiałów: przewodnictwa

typu p i typu n. W materiałach typu p nośnikiem większościowym są tzw. dziury, tj. puste
miejsca w siatce krystalicznej opuszczane przez przesuwające się elektrony. Materiał
tworzony jest, poprzez zastąpienie w krysztale krzemu jednego atomu, przez atom o mniejszej
niż krzem ilości elektronów (np.: aluminium), inaczej, usunięty zostaje jeden z elektronów
siatki krystalicznej. W ten sposób wprowadzona zostaje „dziura” tj. nośnik ładunku
dodatniego, tzw. akceptor. Materiał typu n jest z kolei domieszkowany atomami o większej
niż krzem ilości elektronów, wprowadzając w ten sposób dodatkowy elektron. Posiadają więc
nadwyżkę elektronów. W obecności pola elektrycznego nośniki większościowe mogą łatwo
przemieszczać się w krysztale, ze względu na niewielką energię wiązania (około 0,1 mV),
tworząc w ten sposób prąd elektryczny. Jednak przepływ elektronów nie jest tak swobodny
jak w przewodnikach. Powstrzymywany jest przez zanieczyszczenia siatki, oraz poprzez
atomy domieszek (tzw. pułapkowanie elektronów na centrach donorowych).

Oczywiście, nie można w skali atomowej myśleć o idealnie dopasowanym złączu

kryształów dwóch różnych materiałów. W rzeczywistości złącze wytwarzane jest wewnątrz
jednej struktury krystalicznej, odpowiednio modyfikując jego obszary i uzyskując połączenie
materiałów różnie domieszkowanych.

W obrębie złącza występują przejścia niektórych elektronów z materiału typu n, gdzie

stanowią nośniki ładunku do materiału typu p. Powodują w ten sposób dodatnią polaryzację
obszaru typu n, i ujemną obszaru typu p. Podobnie dzieje się z dodatnimi nośnikami
ładunków (dziurami), przeskakującymi z obszaru p do n. Dzieje się tak do czasu aż
powstające napięcie powstrzyma przepływ ładunków. Powstające pole elektryczne istnieje
tylko w obrębie złącza, a obszary poza złączem są jednorodne elektrycznie.

W sytuacji niespolaryzowanego złącza powstaje więc na złączu bariera potencjału:

Koncentracja
cz

ą

stek

wi

ę

kszo

ś

ciowych

Potencjał

Np

Nn

x

x

Materiał typu p

Materiał typu n

Rysunek 3: Zmiana koncentracji dziur i elektronów w obrębie obszarów.

Wykres znajdujący się w dolnej części rysunku przedstawia potencjał

złącza niespolaryzowanego.

obszar typu n ma dodatni potencjał a materiał p – ujemny (Rysunek 3). Przepływ dziur z
materiału typu p do materiału typu n jest utrudnione, ze względu na barierę potencjału i tylko
niewielka ich liczba będzie w stanie ją pokonać. Z drugiej strony, niewielka liczba ładunków
dodatnich znajduje się w materiale typu n, dopływają one do złącza i przedostają się do
obszaru typu p – można powiedzieć, że cząstki zsuwają się z wyższego potencjału. Obydwa te
zjawiska tworzą prąd I

0

, który musi być równy, po obu stronach złącza (i przeciwnie

skierowany). Jest to prąd występujący na złączu również w przypadku jego pracy zaporowej.

(1)

(

)

(

)

kT

qV

N

=

N

I

p

p

−

≈

e

p

obszar

n

obszar

0

Wielkości w równaniu 1: k to stała Boltzmanna k = 1,3806 10

-23

J/K, T to temperatura złącza,

q·V to iloczyn ładunku przenoszonego przez potencjał V, czyli wartość przenoszonej energii

E. Iloczyn kT w temperaturze pokojowej wynosi w przybliżeniu 0,025 meV. Wyraz

kT

E

−

e

jest

nazywany w termodynamice statystycznej czynnikiem Boltzmanna i jest proporcjonalny do
prawdopodobieństwa wystąpienia pewnego stanu równowagi o energii E w temperaturze T.
Równanie 1 należy rozumieć, iż iloraz koncentracji dziur w materiale n do koncentracji dziur
w materiale p, jest proporcjonalny do prawdopodobieństwa wystąpienia danego stanu
energetycznego. Analogiczne równanie można zapisać dla elektronów w obszarze p i n.

Rysunek 4 przedstawia zmianę koncentracji nośników dodatnich wraz z temperaturą. Widać
wyraźny wpływ temperatury na ich ilość, po obu stronach złącza. Jeżeli napięcie na złączu
zostanie zmienione o pewną wartość ∆V, tzn: potencjał obszaru n zostanie obniżony, a
obszaru p zwiększony, nastąpi przepływ ładunków ujemnych w kierunku obszaru p, oraz
dziur w kierunku obszaru n:

(2)

(

)

(

)

kT

V

V

q

N

I

p

∆

e

p

obszar

−

−

≈

(3)

(

)

kT

V

q

kT

qV

N

I

p

∆

e

e

p

obszar

⋅

≈

−

Jednocześnie wciąż występuje zjawisko dyfuzji dziur z obszaru n i elektronów z obszaru p, w
stronę przeciwną. Całkowite natężenie prądu płynącego przez złącze spolaryzowane, jest

N

n

/N

p

qV/k

dla T=20K

dla T=200K

T=313K

Rysunek 4: Zależność zmiany ilorazu koncentracji nośników dodatnich od

ilorazu qV/kT dla różnych temperatur.

różnicą obydwu prądów:

(4)

0

0

0

∆

e

I

kT

V

q

I

=

I

I

=

I

D

−

−

Jeżeli do złącza umieszczonego w danej temperaturze T dostarczony jest potencjał U, wtedy
przepływ prądu jest dany wzorem:

(5)

0

0

1

e

I

kT

qU

I

=

I

−

Przy zmianie temperatury umieszczenia złącza o ∆T:

(6)

(

)

0

0

2

∆

e

I

T

+

T

k

qU

I

=

I

−

Czynnik Boltzmanna rośnie wraz z temperaturą, a zatem wzrasta również prąd przepływający
przez złącze. Zasada zmiany prądu płynącego przez złącze pn wraz z temperaturą jest rzadko
wykorzystywana w sposób bezpośredni, aczkolwiek należy zdawać sobie sprawę z
możliwości wykorzystania tego zjawiska.

Najczęściej wykorzystaniu złącz pn do pomiaru temperatury, służy układ szeregowy dioda –
rezystor, zasilany stabilizowanym, stałym napięciem (Rysunek 5). Przy wzroście przepływu
prądu przez złącze, w wyniku wzrostu temperatury, zwiększa się spadek napięcia na

rezystorze (musi on być rezystorem dużej dokładności, którego wartość nie ulega znacznym
zmianom w czasie), a co za tym idzie następuje spadek napięcia na złączu
półprzewodnikowym. W przypadku zmniejszania temperatury złącza, zachodzi proces
odwrotny, tzn: zmniejszanie wartości natężenia prądu płynącego przez diodę, zmniejszanie
napięcia na rezystorze, oraz wzrost napięcia przewodzenia diody.

Opisane zjawisko pozwala na wykorzystywanie popularnych elementów, nawet bardzo

dokładnym pomiarom. Wymaga to nierzadko stosowania precyzyjnych układów scalonych
wzmacniaczy operacyjnych, oraz, co jest znacznie trudniejsze i bardziej pracochłonne,
dokładnego skalowania charakterystyki danej diody. Już od lat 70-tych produkowane są
specjalne układy scalone, oparte o opisany efekt, których zadaniem jest odpowiednia
generacja wielkości elektrycznej. Do najpopularniejszych należą: LM35, generujący napięcie

Pr

ą

d płyn

ą

cy w obwodzie zł

ą

cza pn

N

a

p

i

ę

c

ie

n

a

re

z

y

s

to

rz

e

w

z

ra

s

ta

w

ra

z

z

e

w

z

ro

s

te

m

p

r

ą

d

u

R

D

Rysunek 5: Schemat obwodu

pomiarowego, wykorzystującego

diodę jako czujnik temperatury

stałe o wartości 10 mV na 1˚C, AD590 – będący precyzyjnym źródłem prądu wytwarzającym
1µA na każdy 1K temperatury mierzonej. Jednym z najczęściej stosowanych współcześnie,
jest Ds1820 i jego liczne odmiany, którego podstawową zaletą jest pomiar temperatury,
którego wartość w postaci cyfrowej, a zatem w formie niepodatnej na zakłócenia jest
przesyłany do odbiornika. Znaczny spadek ceny wymienionych elementów w ostatnich
latach, spowodował nieopłacalność samodzielnego stosowania diód półprzewodnikowych dla
pomiaru temperatur.

4.Termometry rezystancyjne

Oporniki służące do pomiarów temperatury, wykonywane są z metali. Wykorzystują

efekt zmiany ich oporności, wynikający ze zmiany temperatury. Metale charakteryzują się
tzw. swobodnymi elektronami, które umożliwiają bardzo szybki przepływ prądu. Ich ruch nie
jest idealny. Powstrzymywany jest bowiem przez nieruchome, drgające jony siatki
krystalicznej i zanieczyszczenia materiału. Wraz ze wzrostem temperatury, wzrasta energia
jonów, co powoduje większą ilość zderzeń i większe hamowanie ruchu elektronów. Wzrasta
wartość oporu metalu. W efekcie spadku temperatury obserwowany jest wzrost przewodności
metalu.

Nie wszystkie metale nadają się na czujniki, dla pomiarów temperatury. Ważne jest, by

charakteryzowały się dużym współczynnikiem zmiany rezystancji z temperaturą. Ułatwia to
rejestrację zmian i nie wymaga wzmacniania sygnałów pomiarowych. Inną ważną cechą jest
stałość parametrów rezystora w czasie, tzn.: w danej temperaturze pomiarowej rezystor
pomiarowy charakteryzuje się zawsze tą samą wartością oporu. Przydatnym parametrem jest
również liniowość zmian zależności rezystancji z temperaturą, co ułatwia konstrukcję
termometrów opartych o dany rezystor pomiarowy (w przeciwnym razie, dla dokładnych
pomiarów w pełnym zakresie temperatur wymagane są układy linearyzujące). Te wymogi
spełniają przede wszystkim czyste metale. Do jednych z popularniejszych należy platyna, na
bazie której wykonywany jest rezystor Pt100, tzn.: rezystor platynowy, o rezystancji 100 Ω, w
temperaturze 0˚C. Platyna może być wykorzystywana w zakresie maksymalnie rzędu 1000ºC.

Materiał wykorzystywany na rezystory termometryczne musi charakteryzować się

odpowiednią czystością, przy czym o czystości można wnioskować na podstawie stosunku
rezystancji przy temperaturze 100ºC do rezystancji w temperaturze 0ºC. Dla czystej platyny
wymagana wartość tego stosunku wynosi:

(7)

391

,

1

0

100

=

R

R

Charakterystyki termometryczne termorezystorów są bardziej liniowe niż termopar. W

celu dokładnego odczytu temperatury, należy jednak w dalszym ciągu uwzględniać

I/

I0

q Delta V/(kT)

dla T=333K
dla T=303K

T=273K

Rysunek 6: Zmiana prądu złącza pn w funkcji q∆V/kT dla

różnych temperatur.

nieliniowości przy zamianie wartości rezystancji na jednostki temperatury. Najłatwiej w tym
celu posłużyć się zależnością Callendar’a – Van Dusen’a:

(8)







































−

−

























−

−

−

+

=

3

0

0

100

1

100

100

1

100

t

t

t

t

t

R

R

R

t

ε

δ

β

przy czym:

t

R - rezystancja termometru w temperaturze t [ºC]

0

R - rezystancja termometru w temperaturze 0ºC

β

- współczynnik temperaturowego wzrostu rezystancji w temperaturze 0ºC

(typowo 0.00391 Ω/Ω/ºC dla czystej platyny)

49

.

1

=

δ

0

=

ε

dla

0

>

t

, oraz

11

.

0

=

ε

dla

0

<

t

Dokładne wartości stałych

β

,

δ

i

ε

wyznacza się z wartości rezystancji pomierzonych w

punkcie potrójnym wody, temperaturze wrzenia wody i temperaturze wrzenia siarki.

Innym ważnym aspektem jest dopuszczalny prąd pomiarowy czujnika, który ze

względu na samo podgrzewanie czujnika nie powinien być większy niż 3÷15 mA, w
zależności od konkretnego wykonania.

Jako materiały na termorezystory wykorzystuje się też inne metale, jak miedź czy

nikiel. Jednak charakteryzują się one gorszą powtarzalnością i/lub mniej liniową

charakterystyką termometryczną w stosunku do platyny.

Najprostszym układem pomiaru temperatury za pomocą termorezystancyjnego czujnika

jest pomiar jego rezystancji za pomocą omomierza. Taki dwuprzewodowy układ
przedstawiono schematycznie na rysunku 7.

czujnik

100 ohm.

rezystancja
przewodu

rezystancja
przewodu

Rysunek 7 Układ dwuprzewodowy do pomiaru temperatury za pomocą czujnika Pt-100

Dla typowych czujników Pt-100, współczynnik temperaturowego wzrostu rezystancji

wynosi

β

=0.00385 Ω/ºC, co dla elementu o rezystancji 100 Ω powoduje jej zmianę na

poziomie 0,385Ω/ºC. Są to wartości niewielkie, szczególnie, jeżeli weźmiemy pod uwagę, iż
rezystancje przewodów doprowadzających mogą wynosić od kilku do kilkudziesięciu omów i
w dodatku, jako wykonane również z metali, zmieniają wraz z temperaturą własny opór. Dla
przykładu, jeżeli nie uwzględniona zostanie rezystancja przewodów doprowadzeniowych
wynosząca 10 Ω, spowoduje to przekłamanie temperatury na poziomie 10/0,385=26ºC.

Najprostszym sposobem ominięcia tych problemów jest użycie mostka pomiarowego

Wheatstone’a (rysunek 8). Napięcie wyjściowe mostka jest odwrotnie proporcjonalne do
rezystancji rezystora pomiarowego Pt 100. Do wykonania mostka potrzebne są trzy rezystory

o zerowym temperaturowym współczynniku rezystancji, oraz zewnętrzne źródło napięcia.
Rezystor Pt 100 umieszcza się zwykle z dala od pozostałych, by nie narażać ich na wpływ
wysokiej temperatury. Jednak dołączenie przewodów doprowadzeniowych do Pt 100 znowu
wywołuje problem zmian rezystancji tych przewodów, przez co uzyskuje się mniejszą
dokładność wyników. Problem ten można zminimalizować poprzez zastosowanie mostka w
konfiguracji trójprzewodowej (rysunek 9).

Pt 100

V

Rysunek 8 Mostek Wheatstone’a

Pt 100

V

A

C

B

Rysunek 9 Mostek w konfiguracji trójprzewodowej

W takim układzie przewody A i B muszą mieć tą samą długość. Ich rezystancje

niwelują się, ponieważ przewody te należą do przeciwnych gałęzi mostka. Przewód C
doprowadza potencjał do woltomierza i nie przewodzi prądu.

Bardzo dobrym układem pomiarowym z użyciem czujnika Pt-100 jest układ

czteroprzewodowy, pokazany na rysunku 10.

V

A

Pt 100

Rp

Rp

Rysunek 10 Układ czteroprzewodowy do pomiaru rezystancji czujnika Pt 100

Technika używania czterech przewodów jest niesłychanie skuteczna i eliminuje wiele

problemów związanych z użyciem popularnych mostków pomiarowych. Woltomierz mierzy
jedynie spadek napięcia na termorezystorze, wobec czego długość i rezystancja przewodów
nie mają wpływu na dokładność pomiarów. Możliwe jest wykorzystanie źródła prądowego,

dzięki czemu można mierzyć tylko spadek napięcia proporcjonalny do rezystancji czujnika Pt
100 i na tej podstawie określać mierzoną temperaturę.

5.Posta

ć

cyfrowa sygnału – czujnik DS1820

Najnowocześniejsze czujniki generują sygnał w postaci cyfrowej. Napięcie,

odpowiadające temperaturze, zamieniane jest poprzez przetwornik przetwarzający sygnał
analogowy na cyfrowy (A/D), tzn.: otrzymywana jest pewna liczba odpowiadająca wartości
napięcia. Dla dobrego zrozumienia sposobu działania układów cyfrowych należy znać dwa
systemy liczbowe dwójkowy (binarny) i szesnastkowy (heksadecymalny). Dla odróżnienia
liczb zapisywanych w różnych systemach, liczba dwójkowa będzie poprzedzana literą 'b',
szesnastkowa '0x'.

System dwójkowy:

cyfry: 0 i 1

przykład użycia: b0101 = 0 ·2

3

+ 2

2

+ 0 ·2

1

+2

0

= 5; b1111 = 2

3

+ 2

2

+ 2

1

+2

0

=

15

System szesnastkowy:

cyfry: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F

przykład użycia: 0xA0' = A·16

1

+ 0·16

0

= 160, 0xFF = 16·16

1

+ 16·16

0

=255.

System pomaga w łatwej zamianie liczby na system binarny, jednocześnie będąc

oszczędnym w zapisie, np: liczba szesnastkowa 0x56 to b0101(5)1010(6)

Praca przetwornika A/D:

Jakość pracy układu A/D określa się maksymalną cyfrę generowaną przez dany

przetwornik, np: 8 bitowy oznacza, że maksymalnie generuje liczbę 255. O tym jaka wartość
napięcie odpowiada 1 liczbie, określa napięcie referencyjne. Decyduje jakiej wartości
napięcia zmierzonego odpowiada liczba maksymalnie zliczona. W tym przypadku założono
napięcie referencyjne o wartości 2,5 V. Oznacza to, że rozdzielczość mierzonej cyfry wynosi
2,5 V/256=0,00097656 V. Dla przetwornika 10 bitowego (1024) mamy: 2,5
V/1024=0,0024414 V.

Przykład:

Czujnik temperatury LM35 umieszczony w temperaturze 80ºC generuje napięcie

800mV. Napięcie w przetworniku A/D z powyższego przykładu (10 bitowy) zamienione
zostaje na liczbę n=0,800/ 0,0024414 = 327,68. Ponieważ n jest liczbą całkowitą, w wyniku
otrzymamy 327 lub 328 (zależy to od układu przetwornika A/D). Praktycznie każdy układ
A/D ma dokładność co do ostatniego bitu cyfry (najmłodszy bit), co związane jest z błędami
zaokrąglania.

W ćwiczeniu cyfrowy sposób przesyłu sygnału został zaprezentowany przez czujnik

temperatury DS1820 firmy Dallas.

Układ scalony DS1820 mierzy temperatury w zakresie od -55˚C do 125˚C. Zawiera w

sobie przetwornik A/D i na wyjściu układu otrzymujemy 9 bitową liczbę odpowiadającą
zmierzonej temperaturze. Układ mierzy temperaturę z dokładnością do 0,5˚C. Sygnał
przesyłany jest synchronicznie (wymaga linii zegara). Układ do wysyłania sygnału używa
protokołu 1-Wire

TM

producenta, która pozwala na podłączanie do jednej linii transmisyjnej

praktycznie nieograniczonej liczby czujników DS1820. Procedura pomiaru wymaga najpierw
podania pewnego specjalnego, indywidualnego numeru, zakodowanego w nieulotnej pamięci

(ROM) czujnika. Pomiar do urządzenia zbierającego dane z czujników, wysyła czujnik o
wybranym numerze.

Czujnik do pracy wymaga urządzenia będącego w stanie nie tylko odebrać sygnał

cyfrowy, ale też wysłać pewne polecenia. Układ DS1820 jest swego rodzaju terminalem,
dysponującym pamięcią ROM i RAM przechowującą dane pomiarowe. Komunikacja z
układem sprowadza się do używania kilku poleceń, wybieranych przez wysłanie do czujnika
pewnej danej liczbowej.

Read Rom – 0x33. Czytanie z pamięci, po otrzymaniu polecenia układ wysyła swój

identyfikator. Polecenia można używać w przypadku jednego czujnika na linii.

Match Rom – 0x55. Polecenie służy do wyboru konkretnego czujnika linii

transmisyjnej. Za poleceniem powinien zostać wysłany identyfikator. Po tym poleceniu tylko
wybrany czujnik będzie odpowiadał na polecenia, reszta czujników będzie oczekiwać na
polecenie restartu.

Skip Rom – 0xCC. Polecenie pozwala pominąć procedurę wyboru czujnika temperatury

i uzyskać dostęp do pamięci bez wysyłanie identyfikatora. Polecenie użyteczne w systemie z
jednym czujnikiem.

Convert T – 0x44. Polecenie rozpoczyna przetworzenie temperatury mierzonej na

postać cyfrową. Czujnik do momentu zakończenia przetwarzania ma na wyjściu stan 0.
Zmiana stanu na 1 oznacza zakończenie operacji.

Read Scratchpad - 0xBE. Czytanie z pamięci przechowującej wynik pomiaru

temperatury. Układ wysyła 9 bitową cyfrę.

Przesyłana liczba szeregowo odpowiada ilości zmierzonych 0,5˚C. Np: liczba 0x20

odpowiada 32·0,5˚C = 16˚C.

6. Układ zbierania danych

Układ użyty do komunikacji z komputerem przez port szeregowy, komunikacji z

czujnikiem DS1820 oraz prezentacji pracy przetwornika A/D, pracuje w oparciu o procesor
firmy Microchip. Układy tej firmy są popularnymi mikrokontrolerami, wyposażonymi w
szereg funkcji takich jak układ zegara, pamięć EEPROM, PWM etc.

Komunikacja z urządzeniem sprowadza się do wysyłania przez port szeregowy

określonych poleceń, definiujących pracę układu. W ćwiczeniu należy zapoznać się z
procedurą sterowania pomiarami czujnika DS1820, oraz zapoznać ze sposobem
przekazywania danych pomiarowych czujnika LM35 do komputera

Układ pozwala na sprawdzenie cyfrowego uśredniania próbek zebranych w pewnym

czasie. W przypadku silnego sygnału zakłócającego jest to najprostsza m

Metoda otrzymania poprawnego wyniku pomiaru. Układ pozwala na ustalenie jaka ilość

próbek użyta zostanie do uśrednienia sygnału.

.

7.Przebieg

ć

wiczenia

Badania przy u

ż

yciu termoelementu

W ćwiczeniu używane będą dwa urządzenia grzejne, cylindryczny piec przelotowy,

nagrzewany do temperatur w zakresie do 500˚C, oraz drugi, niewielkiej mocy, używany w
zakresie do 150˚C.

Piec wysokotemperaturowy, użyty będzie w pomiarach termoelementów, oraz Pt100.

Regulator temperatury pieca powinien zostać ustawiony na pewną wartość. Należy

wykonać pomiar temperatury, z użyciem termopary, bez kompensacji, z kompensacją końców
termoelementu w 0˚C, oraz przy wykorzystaniu kompensacji temperaturowej 50˚C. Użyty w
ć

wiczeniu układ pozwala wykonywać wszystkie pomiary, bez konieczności zmiany obwodu

pomiarowego, jedynie przełączając potencjometr, wybierający temperaturę kompensacyjną.
Należy obliczyć temperaturę mierzoną, korzystając z każdej z metod pomiarowych. Wykonać
pomiary dla minimum 10 punktów pomiarowych.

W sprawozdaniu wykonać wykres zależności siły termoelektrycznej z temperaturą.

Ocenić dokładność każdej z metod

Rezystor Pt100

Pomiary przy wykorzystaniu czujnika Pt100 wykonujemy równolegle z badaniami

termoelementu. W tym celu należy wykorzystać pomiar z użyciem dwóch przewodów, trzech,
oraz w układzie czteroprzewodowym. Porównać wyniki pomiaru.

W sprawozdaniu należy ocenić dokładność i opisać wykonanie pomiarów.

Dioda półprzewodnikowa 1N4148

Badanie diody półprzewodnikowej należy przeprowadzić w układzie jak na rysunku 11.

Szeregowo połączone potencjometr R1, oraz dioda sygnałowa małej mocy (w ćwiczeniu
użyta jest popularna dioda sygnałowa 1N4148). Potencjometr pozwala utrzymywać stałą
wartość prądu płynącego obwodem, bądź stałą wartość napięcia przewodzenia diody,
odpowiednio zwiększając, bądź zmniejszając wartość natężenia prądu.

Obwód zasilany jest stałym napięciem stabilizowanym. W obwód szeregowo włączony

jest amperomierz prądu stałego (mikroamperomierz) oraz woltomierz mierzący napięcie
przewodzenia diody.

Jako pierwsze pomiary, należy wykonać pomiary samopodgrzewania diody przy

różnych wartościach prądu przez nią przepływającego, tj. przy różnych wartościach napięcia
zasilającego. W tym celu układ pomiarowy dysponuje przyciskiem, zmieniającym przepływ
prądu z ustawionego przez użytkownika, na maksymalny możliwy 10mA. Po ustawieniu
danej wartości prądu odczekać do momentu ustalenia wartości napięcia przewodzenia.
Obliczyć moce wydzielane na diodzie.

Następnie diodę umieszczamy w powolnie nagrzewanym termostacie. Regulacja

temperatury umożliwia ustalenie pewnej jej wartości. Należy notować temperaturę
wskazywaną przez regulator.

Badania diody półprzewodnikowej wykonujemy na dwa opisane wcześniej sposoby.

Pierwszy to wymuszenie stałego przepływu prądu, o wartości np.: 2 mA, i notowanie napięcia
przewodzenia diody. Drugi sposób, to utrzymywanie stałej wartości napięcia przewodzenia

diody (np.: 0,7 V) w każdej mierzonej temperaturze i notowanie wartości prądu. Wykonać
minimum 10 punktów pomiarowych. W sprawozdaniu należy na podstawie uzyskanych
wyników wykreślić zależność napięcia przewodzenia, od temperatury, oraz prądu diody w
funkcji temperatury. Ocenić uzyskane wyniki.

LM35

Czujnik LM35, jest układem scalonym, służącym precyzyjnym pomiarom temperatury,

którego sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do temperatury w skali Celsjusza. Wytwarza
10 mV/˚C, z typową dokładnością 0,5˚C. Oznacza to, że czujnik w 0˚C powinien wskazać 0
V, a w 100˚C 1000 mV. Mierzy temperatury w zakresie od -55˚C do 150˚C.

Układ LM35 do swojej poprawnej pracy wymaga dołączenia potencjału od +4V do +30V do
wyjścia +V, oraz GND. Do wyjścia czujnika (OUT) należy podłączyć miliwoltomierz,
mierzący w zakresie do 1,5 V. Czujnik umieszczamy w termostacie podobnie jak diodę lub
termistor. Pomiary wykonujemy do około 150˚C i notujemy wyniki pomiarów, wraz z
temperaturą odczytaną z termometru. W sprawozdaniu należy wykreślić charakterystykę
generowanego napięcia w funkcji temperatury mierzonej. Ocenić błędy pomiaru.

Badanie przetwornika A/D i układu DS1820

Zapoznanie z pracą przetwornika A/D należy przeprowadzić przy użyciu opisanego w

R1

+

-

V

Termostat

D1

A

V

Rysunek 11: Obwód pomiarowy dla diody

+V

Vout

GND

Rysunek 12: Widok wyprowadzeń

układu LM35 (patrząc od strony

wyprowadzeń – spód obudowy).

instrukcji układu pomiarowego, odbierającego i przesyłającego dane do komputera. Krótki
opis wyjaśniający zasady pracy z urządzeniem umieszczony jest na stanowisku pomiarowym.

W ćwiczeniu należy notować liczbę przesłaną do komputera, porównać ją ze

wskazaniami temperatury. Ocenić poprawność dokonywanych pomiarów.

Układ DS1820

W ćwiczeniu należy zbadać sposób przesyłu cyfrowego szeregowego, zarówno

synchronicznie jak i asynchronicznie. Synchroniczny przesył sygnału używany jest w
komunikacji z czujnikiem DS1820, asynchroniczny w komunikacji z komputerem przez port
szeregowy.

Sprawdzić czy zakłócenia wpływają na wartości liczbowe przesyłane przewodami.

Zanotować przykładowe dane przesyłane obiema metodami.

Bibliografia:

1. R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands: Feynmana wykłady z fizyki, tom 3,
Mechanika Kwantowa.
Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN 2001
2. L. Michalski, K. Eckersdorf: Pomiary temperatury. Warszawa, Wydawnictwo
Naukowo-Techniczne 1969
3. "Wikipedia", Thermistor --- Wikipedia, The Free Encyclopedia 2007.

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Thermistor&oldid=113065086

4. National Semiconductor. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors.
November 2000.
5. Dallas Semiconductor. „DS1820 1-Wir

eTM

Digital Thermometer”