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.

TRM1

IN -

IN +

EXC -

ZM IF UMK

dioda LED,

kolor zielony - gotowość do pracy

kolor czerwony - wykonywanie pomiaru

wyjście zasilania czujnika

potencjał niższy

wejście pomiarowe

potencjał wyższy

wejście pomiarowe

potencjał niższy

wkręt mocujacy kartę do kasety EURO

wkręt mocujacy kartę do kasety EURO

wkręt mocujący płytę czołową panelu

do płytki z obwodem drukowanym

wkręt mocujący płytę czołową panelu

do płytki z obwodem drukowanym

READY

EXC +

wyjście zasilania czujnika

potencjał wyższy

Ogólny opis karty RBR

Karta RBR przeznaczona jest do pomiarów oporności w zakresie od 1

Ω

do 100 M

Ω

w sześciu podzakresach o centrach 100

Ω

, 1k

Ω

, 10k

Ω

, 100k

Ω

, 1M

Ω

, 10M

Ω

. 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

Ω

i wartościach

wzmocnienia 1, 10, 100, 1000 ustawianego cyfrowo

- układ cyfrowy sterujący wzmacniaczem napięcia nierównowagi mostka i układem

przekaźników.

+

-

Wyjście

Sterowanie wzmocnieniem

Wejście R-

Wejście R+

Przekaźniki sterowane cyfrowo

Un

10k

10k

Rz - 100 Rz - 1k Rz - 10k Rz - 100k Rz - 1M Rz - 10M

10V

+

-

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

napięcie mierzone

wzmocnieni e









R

x

=

U

U

U

U

R

n

n

z

+
−

⋅

2
2

a. 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:

T

1

= A_TRM*T

1jp

+ B_TRM

T

2

= A_TRM*T

2jp

+ B_TRM

T

1

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

T

2

- 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