Ćwiczenie nr 6
Badanie właściwości metrologicznych
czujników temperatury
Opracowali:
dr inż. Wacław Gawędzki
mgr inż. Rafał Frączek
AGH Kraków 2006
WPROWADZENIE
Badanie właściwości metrologicznych zintegrowanych czujników temperatury typu:
�� AD590 (Analog Devices)
�� AD22100 (Analog Devices)
�� LM35CZ (National Semiconductor)
�� PT100
wykonywane jest na stanowisku wyposażonym w multimetry HP3401A zintegrowane
magistralą GPIB z komputerem PC z wykorzystaniem środowiska VEE. Każdy z w/w
czujników ma inną funkcję przetwarzania oraz w inny sposób podłączany jest do
przyrządu pomiarowego.
�� CZUJNIKI TEMPERATURY
Statyczne funkcje przetwarzania poszczególnych czujników temperatury:
�� AD590
m�A
(1)
I =� TA ��1�� ł�
ę� ś�
K
�� ��
�� AD22100
ć�Uzas �� ć� mV
ł���
(2)
Uout =� ��
�� �� �� ę� ś���
5[�V]�������1.375[�V]�+� TA �� 22.5�� ��C
�� ����
Ł� ł� Ł� ł�
�� LM35CZ
mV
(3)
Uout =� TA ��10�� ł�
ę� ś�
��C
�� ��
2.1. Czujnik LM35
2.1.1. Opis ogólny
Układy z rodziny LM35 są precyzyjnymi scalonymi czujnikami temperatury, których
sygnał wyjściowy jest liniowo proporcjonalny do temperatury w stopniach Celsjusza.
Układ LM35 nie wymaga żadnej zewnętrznej kalibracji ani korekcji dla uzyskania
typowych dokładności ą�0.25��C w temperaturze pokojowej i ą�0.75��C w całym zakresie
temperatur od  55��C do +150��C. Mała impedancja wyjściowa, liniowość sygnału
wyjściowego oraz precyzyjna auto-korekcja układu LM35 powodują, że jego sprzęganie z
układami odczytu lub sterowania jest szczególnie proste.
Układ może mieć zasilanie symetryczne (napięciem dodatnim i ujemnym) lub
niesymetryczne. Pobiera 60m�A prądu zasilającego i dzięki temu w powietrzu nagrzewa się
mniej niż 0.1��C. Układ LM35 jest przeznaczony do pracy w zakresie  55��C do +150��C,
natomiast LM35C w zakresie  40��C do + 110��C.
2
Rys. 1. Obudowy czujnika LM35
Układ jest produkowany w pięciu wersjach. Czujniki rodziny LM35 są montowane w
hermetycznej metalowej obudowie tranzystorowej TO-46, natomiast wersje LM35C,
LM35A i LM35D są również dostępne w plastykowej obudowie tranzystorowej TO-92.
Czujnik LM35D jest też produkowany w plastykowej
obudowie TO-202 i w 8-końcówkowej obudowie SO-8 (rys. 1).
Właściwości układu:
�� kalibracja bezpośrednio w ��C
�� liniowa charakterystyka zależności napięcia wyjściowego od temperatury o
współczynniku skalowania +10 mV/��C
�� gwarantowana dokładność kalibracji 0.5��C (w temperaturze 25��C)
�� możliwość pracy w pełnym zakresie temperatur od  55�C do +150��C
�� zakres napięć zasilania od 4[V] do 30[V]
�� pobór prądu mniejszy niż 60[m�A]
�� nieliniowość mniejsza od ą�0.25��C
�� mała impedancja wyjściowa, 0.1[W�] przy obciążeniu 1[mA]
2.1.2. Typowe układy pracy
�� czujnik temperatury +2��C do +150��C
Rys. 2. Czujnik do pomiaru temperatury w skali Celsjusza o zakresie +2 do +150��C
3
�� pełnozakresowy czujnik temperatury
Rys. 3. Czujnik do pomiaru temperatury w skali Celsjusza o pełnym zakresie od  55�C do
+150��C
-�Us
Należy dobrać: R1 =�
50[�m�A]�
Uwy=+1500[mV] dla T=150�C
Uwy=+250[mV] dla T=25�C
Uwy=-550[mV] dla T=-55�C
2.1.3. Zastosowania
�� pomiary temperatury, w tym także pomiary zdalne
�� układy sterowania i regulacji
�� termostaty
�� kompensacja temperatury wolnych końców przy pomiarach z użyciem
termoelementów
2.2. Czujnik temperatury AD590
2.2.1. Opis ogólny
AD590 jest scalonym czujnikiem temperatury, w którym prąd wyjściowy jest
proporcjonalny do temperatury, wyrażonej w stopniach Kelvina. Współczynnik
skalowania jest równy 1[źA/K]. Czujnik ten powinien być używany w zakresie
temperatur -55��C do +150��C. AD590 jest szczególnie użyteczny w zdalnych aplikacjach
pomiarowych. Przyrząd jest nieczuły na spadki napięcia na liniach długich z powodu
swojego wysoko-impedancyjnego wyjścia prądowego (>�10[MW�]). Na przykład
zmieniające się zasilanie z 5[V] do 10[V] kończy się tylko 1[m�A] (max) zmianą prądu, co
odpowiada błędowi 1��C. AD590 jest elektrycznie trwały: może oprzeć się napięciu 44[V]
i napięciu wstecznemu 20[V]. Dlatego też zmiany napięcia czy też odwrócenie końcówek
nie uszkodzi układu.
2.2.2. Ważniejsze parametry układu:
�� współczynnik temperatury: 1[źA/K]
�� napięcie zasilania: min=4[V], max=30[V]
�� zakres temperatury: od -�55��C do +�150��C
�� nominalny prąd wyjściowy w temp. +�25��C: 298.2[m�A]
�� błąd nieliniowości: ą�0.3��C
4
2.2.3. Opis układu
AD590 wykorzystuje podstawowe właściwości tranzystorów krzemowych, z których
jest zbudowany do realizacji proporcjonalnej charakterystyki temperaturowej. Jeżeli dwa
identyczne tranzystory działają przy stałym stosunku p gęstości prądów kolektora, wtedy
różnica w ich napięciach baza-emiter będzie równa:
kT
(4)
D�UBE =� ��ln(�p)�
q
Ponieważ zarówno stała Boltzmanna k jak i ładunek elektronu q są stałe, wyjściowe
napięcie jest bezpośrednio proporcjonalne do temperatury absolutnej T.
Wartość sygnału prądowego na wyjściu czujnika jest równa iloczynowi współczynnika
1[źA/K] i aktualnej temperatury wyrażonej w stopniach Kelvina. Współczynnik ten jest
określany na etapie produkcji, przez wykonywanie jednopunktowej kalibracji. Wykonuje
się to przy zasilaniu 5[V] i w temperaturze 25��C (298.2K). Następnie czujnik jest badany
w celu określenia dokładności dla całego zakresu temperatury.
2.3. Czujnik temperatury AD22100
2.3.1. Opis układu. Parametry charakterystyczne
AD22100 jest scalonym monolitycznym czujnikiem temperatury. Może być
stosowany w zakresie temperatur  50��C do +150��C. Napięcie wyjściowe jest
proporcjonalne do temperatury i napięcia zasilania. Przyjmuje ono wartości od 0.25[V]
przy  50��C do +4.75[V] przy +150��C przy użyciu pojedynczego z
ródła zasilania +5.0[V].
2.3.2. Parametry charakterystyczne
ć�Uzas �� ć� mV ��
ł���
��
�� funkcja przenoszenia: Uout =� �� 5[�V]��� ����1.375[�V]�+� TA �� 22.5�� ś���
�� �� ę�
��C
�� ��
Ł� ł� Ł� ł�
U mV
ć� ��
zas
�� współczynnik skalowania �� 22.5�� ł�
�� ��
ę� ś�
5 ��C
Ł� ł� �� ��
�� nieliniowość od Tmin do Tmax: 0.5% (zakresu)
�� napięcie zasilania: min=4[V], typ=5[V], max=6[V]
�� zakres temperatury od -�50��C do +�150��C
�� obudowa: TO-92 lub SOIC
Rys. 4. Obudowy układu AD22100
5
2.3.3. Zasada działania
AD22100 jest czujnikiem temperatury, którego napięcie wyjściowe jest
proporcjonalne do przyłożonego napięcia zasilania. Częścią zasadniczą czujnika jest
rezystor o rezystancji zależnej od temperatury, termorezystor, który jest wbudowany w
układ. Na rys. poniżej przedstawiono uproszczony schemat układu.
V+
��
I
+�
��
�� VOUT
-�
�� ��
RT
Rys. 5. Uproszczony schemat układu
Termorezystor RT zasilony jest ze z
ródła prądowego I, które jest proporcjonalne do
przyłożonego napięcia zasilania V+. Spadek napięcia na termorezystorze RT jest więc
proporcjonalny do napięcia zasilania oraz zmienia się liniowo wraz z temperaturą ze
względu na zastosowaną linearyzację. Zadaniem pozostałych elementów w układzie jest
odpowiednie wzmocnienie pobranego sygnału z termorezystora RT zgodnie z funkcją:
ć�Uzas �� ć� mV
(5)
Uout =� �� ����1.375[�V]�+� TA �� 22.5�� ł���
�� �� �� ę� ś���
5[�V]��� ��C
�� ����
Ł� ł� Ł� ł�
AD22100 będzie działał z nieznacznie większą dokładnością niż podano w danych
katalogowych, jeżeli przyłożone napięcie zasilające jest utrzymane w stałej wartości.
Możemy także dokonać pomiaru stosunku napięć: wyjściowego i zasilającego co pozwoli
wyeliminować błędy wynikające z niedokładności z
ródeł referencyjnych i uczynić wynik
pomiaru temperatury niezależnym od błędów pomiaru napięć..
�� STANOWISKO DO BADANIA CZUJNIKÓW TEMPERATURY
Na rysunku 6 przedstawiono schemat stanowiska laboratoryjnego, wykorzystywanego
do badania stanu dynamicznego czujników temperatury LM35, AD590, AD22100 oraz
Pt100.
Do zbudowania stanowiska pomiarowego wykorzystano wielofunkcyjne multimetry
firmy Hewlett Packard HP34401A, które przy pomocy odpowiedniego oprogramowania
oraz interfejsu HP-IB (IEEE-488) pozwalają na współpracę z komputerem PC. Każdemu
z multimetrów został przyporządkowany adres, przy pomocy którego jest on wywoływany
przez komputer. Każdy z badanych czujników jest podłączony do oddzielnego
multimetru, ten z kolei do wspólnego komputera. W przypadku czujnika AD590
dokonujemy zamiany prądu na napięcie przy pomocy rezystora o wartości 10[kW�].
Przyczyną zamiany są pojawiające się przy pomiarze prądu duże zakłócenia pochodzące
od części cyfrowej (niska dokładność multimetru na zakresie prądowym).
6
HP 34401A ZASILACZ
Wyświetlacz
+
#708
12V
+ 
Klawisze
5

AD590 10kW�
funkcyjne
I
V+
�� ��
V
GND
HP 34401A
LM35
V+
Wyświetlacz
��
#712
Klawisze U
G
�� ��
funkcyjne
OU
N
HP-IB
��
AD22100
PC
U
T V+
D
HP 34401A
U
G
Wyświetlacz
RE
#725
��
Klawisze
OU
N
funkcyjne F
T Pt 100
D
HP 34401A
Wyświetlacz
#720
Klawisze
funkcyjne
Rys. 6. Schemat stanowiska laboratoryjnego do badania stanu dynamicznego czujników
temperatury LM35, AD590, AD22100 oraz Pt100
W�4W Sense/ Input
Ratio Ref V W�
HI
HI
200V 1000V
Max Max
LO LO
3A
Terminals
HP 34401A
I
Wyświetla
Front
Rear
cz
Klawisze
funkcyjne
Rys. 7. Wygląd płyty czołowej multimetru HP34401A  zaciski pomiarowe
�� OBSA
UGA KALIBRATORA TEMPERATURY OMEGA CL523
a) Załączanie przyrządu - klawisz ON (następuje test elementów elektronicznych
aparatury).
b) Wcisnąć klawisz OUT (ESC), załączyć podświetlanie wyświetlacza klawisz ON
(LIGHT).
c) Klawiszem 4 (T/EL) przełączyć w tryb pomiarów wielkości elektrycznych.
d) Klawiszem 8 (SEL) wybrać pomiar rezystancji (Ohm), przyrząd sprawdza sposób
podłączenia czujnika PT100 (3 wire, 4 wire) i wyświetla aktualny sposób połączenia.
Następnie wyświetlana jest wartość rezystancji czujnika w [W�].
e) Klawiszem 4 (T/EL) przełączyć w tryb pomiarów wielkości nieelektrycznych
(temperatura). Wyświetlona zostanie aktualna temperatura w �C (można przełączyć na
st. F klawiszem 1 (C/F).
f) Wyłączenie przyrządu - jednocześnie wcisnąć i przytrzymać klawisze ON i OUT.
7
�� OPIS OPROGRAMOWANIA W ŚRODOWISKU HP VEE
Do pomiarów i rejestracji stanów dynamicznych wykorzystano multimetry HP34401A
współpracujące z komputerem przy pomocy oprogramowania dostarczonego przez firmę
Hewlett Packard (Visual programming with HP VEE). Wygląd programu konfig.vee
przedstawiono poniżej.
Rys. 8. Graficzna reprezentacja procesu pomiarowego w programie VEE  plik konfig.vee
8
Przebieg ćwiczenia
a) Określić statyczne funkcje (teoretyczne) przetwarzania dla każdego czujnika.
b) Przeanalizować sposób podłączenia czujników zintegrowanych do aparatury
pomiarowej. Przeanalizować sposób pomiaru temperatury każdym z czujników.
c) Zapoznanie się ze środowiskiem HP VEE służącym do analizy, wizualizacji i
rejestracji danych pomiarowych poprzez interfejs GPIB (HPIB, IEEE-488).
d) Zapoznać się i uruchomić podgrzewacz w zbiorniku wody wraz z urządzeniem do
mieszania cieczy. Ustawić podgrzewanie wody na temperaturę ok. 40�C.
e) Przeprowadzić ocenę dokładności wskazań czujników poprzez porównanie ze
wskazaniami kalibratora temperatury (współpracującego z czujnikiem Pt100) w temp.
otoczenia.
f) Korekcja czujników. Wyznaczenie rzeczywistych współczynników funkcji
przetwarzania, dla poszczególnych czujników przez odniesienie do pomiarów
kalibratorem. Pomiar (statyczny) temperatury w dwóch różnych punktach
charakterystyki. Korekcja charakterystyki.
g) Wprowadzenie korekcji charakterystyki do funkcji w programie VEE (blok Formula).
h) Rejestracja stanów dynamicznych czujników, skok temperatury (szybkie nagrzewanie,
schładzanie). Rejestracja odpowiedzi czujników.
i) Wyznaczanie modelu dynamicznego poszczególnych czujników na podstawie
zarejestrowanych przebiegów dynamicznych (I i II rząd). Identyfikacja modelu
czujników.
9