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.
wkręt mocujacy kartę do kasety EURO
TRM1
wkręt mocujący płytę czołową panelu
do płytki z obwodem drukowanym
dioda LED, READY
kolor zielony - gotowość do pracy
kolor czerwony - wykonywanie pomiaru
EXC +
wyjście zasilania czujnika
potencjał wyższy
EXC -
wyjście zasilania czujnika
potencjał niższy
IN +
wejście pomiarowe
potencjał wyższy
IN -
wejście pomiarowe
potencjał niższy
wkręt mocujący płytę czołową panelu
do płytki z obwodem drukowanym
ZM IF UMK
wkręt mocujacy kartę do kasety EURO
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 znajdujÄ… siÄ™:
- z
ródło napięcia stałego 10V (dokładność 5mV),
- mostek oporowy o jednej gałęzi (gałąz
odniesienia) zbudowanej z 2 oporników
10k i tolerancji 0,1%, w drugiej gałęzi znajduje się opornik zakresowy R
z
przełączany za pomocą układu przekaz
ników (R = 100, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M)
z
i mierzona oporność R
x
- układ przekaz
ników 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
przekaz
ników.
Rz - 100 Rz - 1k Rz - 10k Rz - 100k Rz - 1M Rz - 10M
10k
+
10V
-
Un
Przekaz
niki sterowane cyfrowo
Wejście R+
10k
Wejście R-
Sterowanie wzmocnieniem
Wyjście
-
+
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 - to mierzone napięcie
z
jest ujemne
- ma oporność większą od aktualnie podłączonego opornika R - to mierzone napięcie
z
jest dodatnie
- ma oporność równą aktualnie podłączonemu opornikowi R - to mostek jest w stanie
z
równowagi i mierzone napięcie jest ma wartość 0
- dla R " (R >> R lub wejścia R+ i R- rozwarte) U = 0,5U (czyli +5V)
x x z n
- dla R 0 (R << R lub wejścia R+ i R- zwarte) U = - 0,5U (czyli -5V)
x x z n
Fakty te będą wykorzystywane w pomiarze i kalibracji zestawu!
R =
x
U + 2Un
Å" R
U - 2Un z
Oporność R rezystora (termistora) obliczamy ze wzoru:
x
Oznaczenia:
R - opornik zakresowy - przełączany za pomocą przekaz
ników (100, 1k, 10k, 100k, 1M,
z
10M)
R - mierzona oporność
x
U - napięcie stałe zasilające mostek (10V ą5mV)
napięcie mierzone
ëÅ‚ öÅ‚
U - napiÄ™cie nierównowagi mostka ìÅ‚ ÷Å‚
n
íÅ‚ Å‚Å‚
wzmocnieni e
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 bądz
rezystora, bÄ…dz
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.] + B_ADC
rozw
-5V = A_ADC*u[j.p.] + B_ADC
zwar
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
KalibracjÄ™ termometru wykonujemy na podobnej zasadzie, jak kalibracjÄ™ 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 = A_TRM*T + B_TRM
1 1jp
T = A_TRM*T + B_TRM
2 2jp
T - znana temperatura odniesienia (np. pokojowa) wyrażona w [K]
1
T - znana temperatura odniesienia (np. temperatura ciekłego azotu) wyrażona w [K]
2
T , T - temperatury wyrażone w jednostkach przetwornika (A_TRM=1, B_TRM=0).
1jp 2jp
Podczas kalibracji termometru należy pamiętać o odczekaniu na ustabilizowanie
siÄ™ temperatury przed odczytem T , T .
1jp 2jp
III. Pomiar w DOSie
Program do sterowania eksperymentem nazywa siÄ™ RVT.EXE i znajduje siÄ™ 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 siÄ™ rvt.vi i znajduje siÄ™ na dysku D:,
w katalogu D:\eurolab\
2. Zadania