LABORATORIUM MIERNICTWA KOMPUTEROWEGO

Ćwiczenie nr 4

Termometr cyfrowy - dioda półprzewodnikowa

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z pomiarem temperatury za pomocą złącza p-n (diody).

2. Opis

1. Płyta czołowa karty pomiarowej

Rysunek 1. Widok czołowy karty TRM1

2. Szczegóły sprzętowo-programowe karty TRM1

Rysunek 2. Schemat blokowy termometru TRM 1.

Bloki funkcjonalne:

EXC: Źródło prądowe,

ADC: przetwornik A/C,

SW ID: przełącznik ustawienia bajtu identyfikatora układu,

MD: wewnętrzna 8-bitowa magistrala danych,

SW ADR: przełącznik ustawienia adresu urządzenia,

US: sterujący układ logiczny,

BUF: bufor danych pomiędzy magistralami,

ME: magistrala sygnałów systemu EURO,

Sygnały:

EXC+, EXC-: wyjścia zasilania prądowego czujnika, potencjał wyższy i niższy,

IN+, IN-: wejścia pomiarowe, potencjał wyższy i niższy,

DHI, DLO: starszy i młodszy bajt danych odczytywany z przetwornika A/C,

RH, RL: odczyt danych z przetwornika A/C,

TRIG: wyzwolenie konwersji A/C,

RDY: stan przetwornika - gotowy/w trakcie konwersji,

RID: odczyt bajtu identyfikatora,

DID: bajt identyfikatora,

DRDY: bajt stanu przetwornika,

DAT: 8-bitowe szyny danych: wewnętrzna i systemu EURO,

ADR: 8-bitowa szyna adresowa systemu EURO,

RD: odczyt danych z termometru,

WR: zapis danych do termometru,

IRQ: przerwanie generowane przez termometr.

Termometr może współpracować z czujnikami termooporowymi (np.: Pt 100) oraz diodowymi (złącze p-n). Wyjścia oznaczone na płycie czołowej jako EXC+ i EXC- służą do zasilania czujnika stabilizowanym prądem, natomiast wejścia IN+ i IN- służą do pomiaru napięcia na czujniku. Dioda LED umieszczona obok napisu READY świeci się na zielono gdy termometr jest gotowy do pracy i oczekuje na wyzwolenie, natomiast na czerwono podczas trwania pomiaru.

Dla czujników platynowych źródło generuje prąd o wartości 1 mA, a dla diod p-n-10mA. Mierzone napięcie doprowadzane jest do wejść przetwornika A/C bezpośrednio (p-n), lub prze wzmacniacz wstępny *5 (Pt 100). Ma to na celu przybliżone wyrównanie zakresów zmian napięcia
w funkcji temperatury obydwóch rodzajów czujników. W układzie zastosowano całkujący przetwornik A/C typu ICL 7109. Jego najważniejsze cechy charakterystyczne to: rozdzielczość 12 bitowa + znak, czas konwersacji około 30 ms zakres napięć wejściowych od ±0.2 V do ±2 V oraz wejście różnicowe.

Adres wewnętrzny	Funkcja odczytu	Funkcja zapisu
0	Bajt identyfikatora	----
1	LSB=0 - zgłoszenie przerwania	LSB=0 - skasowanie przerwania
2	LSB=0 - trwa pomiar	LSB=0 - wyzwolenie pomiaru
4	Młodszy bajt danych	----
5	Starszy bajt	----

Strukturę rejestrów wewnętrznych termometru TRM1 przedstawia powyższa tabela. Adres
0 służy wyłącznie do odczytu bajtu identyfikatora, którego wartość określona jest układem zworek przełącznika SW ID. Adres 1 używany jest podczas pracy z wykorzystaniem przerwań. Odczytanie
0 na pozycji LSB (najmniej znaczącego bitu) oznacza, że źródłem przerwania jest termometr, na co należy zareagować odczytem danych i skasowaniem przerwania poprzez wysłanie pod adres 1 liczby z wyzerowanym LSB. Zapis pod adres 2 liczby z wyzerowanym LSB powoduje wyzerowanie przetwornika A/C, a odczyt informuje czy konwersja została zakończona (LSB=1). Adresy 4 i 5 służą wyłącznie do odczytu danych z przetwornika A/C. Ich struktura jest następująca:

MSB Adres 5 - HI LSB

MSB Adres 4 - LO LSB

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

0

0

POL

OVR

D11

D10

D9

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

Młodszy bajt zawiera 8 bitów danych z przetwornika A/C. Starszy bajt zawiera 4 najstarsze bity danych na pozycjach B0 - B3, bit polaryzacji na pozycji B4 (1 oznacza plus, a 0 minus) oraz bit przekroczenia zakresu przetwarzanych napięć (1- przekroczenie). Najstarsze 2 bity są zawsze wyzerowane. Zakres liczbowy danych odczytywanych z przetwornika A/C wynosi więc od -4095 do +4095, przy czym można również odczytać wartości + 0 i - 0.

Wartości zakresów pomiarowych karty TRM

Nazwa ustawienia	Nr. Ćwiczenia	Zakres [V]	Wartość przetwornika
Tensometry/Ciśnienie Podział/20		-2,5	-4096
			+2,5	+4096
	ADC/termopara		-0,2	-4096
			+0,2	+4096
	Złącze p-n		0,0	+4096
			1,0	-4096
	ADC/RBR/UBR		-10,0	+4096
			+10,0	-4096

3. Czujnik

Czujniki temperatury

Rodzaj czujnika	Zakres temperatur	Zasada działania
Termometr oporowy	-200...+800 ^0C	Dodatni współczynnik temperaturowy rezystancji metali, np.: platyny, miedzi
Termistor o dodatnim współczynniku temperaturowym	-50...+150 ^0C	Dodatni współczynnik temperaturowy rezystancji półprzewodników, np.: krzemu
Termistor o ujemnym współczynniku temperaturowym	-50...+150 ^0C	Ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji mieszanin tlenków metali i ceramiki
Złącze P-N	-200...+150 ^0C	Ujemny współczynnik temperaturowy napięcia progowego przewodzącego złącza P-N
Termoelement	-200...+2800 ^0C	Efekt Seebecka - siła termoelektryczna występująca na styku dwóch różnych metali
Rezonator kwarcowy	-50...+300 ^0C	Temperaturowa zależy od częstotliwości rezonansowej kryształu kwarcu o specjalnym cięciu

Czujniki oporowe metaliczne

Metale charakteryzują się dodatnim współczynnikiem temperaturowym rezystancji, co znaczy, że rośnie ona ze wzrostem temperatury. Zjawisko to opisuje się matematycznie przy pomocy ogólnej zależności:

R=R₀[1+a(T-T0)+b(T-T0)²+1........]

gdzie R₀ jest rezystancją odniesienia.

Najczęściej używanym materiałem do budowy tego rodzaju czujników jest platyna. Zależności określające temperaturowy współczynnik rezystancji odnoszą się do jej wartości w temperaturze 0 ⁰C. Typowymi wartościami są: 100 W (Pt 100), 200 W (Pt 200), 500 W (Pt 500) i 1000 W (Pt 1000). W zakresie temperatur 0 ⁰C ... 850 ⁰C rezystancję czujnika platynowego opisuje się równaniem (DIN 43760 i IEC 571, temperatura w ⁰C):

R_x=R₀(1+3.90802*10^-3T-0.580195*10^-6T²)

a w zakresie -200 ⁰C ... 0⁰C równaniem:

R_x=R₀(1+3.90802*10^-3T-0.580195*10^-6T²+-0.42735*10^-9T³-4.2735*10^-12T⁴)

Złącze p-n

Na złączu krzemowym p-n spolaryzowanym w kierunku przewodzenia występuje napięcie progowe, którego wartość wynosząca w temperaturze pokojowej ok. 600 mV silnie zależy od temperatury. Jeżeli złącze polaryzuje się prądem o stabilizowanej i niezależnej od temperatury wartości, to napięcie progowe zmniejsza się o ok. 2.2 mV przy wzroście temperatury o 1 ⁰C. Zależność ta jest w przybliżeniu liniowa w szerokim zakresie temperatur: -250 ... 150 ⁰C.
W temperaturach wyższych od 150 ⁰C następuje zniszczenie struktury krystalicznej krzemu,
a w niższych od -250 ⁰C występuje silna nieliniowość charakterystyki termicznej. Jednak po wycechowaniu uwzględniającym to zachowanie można stosować czujniki krzemowe P-N nawet
w temperaturach bliskich zera bezwzględnego.

Układ pracy czujników rezystancyjnych i złącza p-n

W celu zmierzenia rezystancji oporowego czujnika temperatury wymusza się przepływ prądu stałego o stabilizowanej wartości i mierzy spadek napięcia na czujniku. Prąd ten powinien być na tyle mały, aby nie powodować nagrzewania się czujnika. Wytyczną może być wartość wydzielanej mocy mniejsza od 1 mW. Dla opornika platynowego Pt 100 typową wartością prądu jest 1 mA. Mierzone napięcie jest proporcjonalne do szukanej rezystancji. W podobny sposób dokonuje się pomiaru napięcia na przewodzącym złączu P-N. Typowe wartości stosowanego prądu wynoszą 10...100 mA.

Rysunek 3.Metody pomiaru rezystancji: dwu- i czteroprzewodowa.

Jeżeli przewody łączące czujnik z układem pomiarowym są długie, korzystny jest pomiar rezystancji w układzie z czterema przewodami. Prąd jest doprowadzany do czujnika jedną parą przewodów, natomiast druga łączy go z przyrządem mierzącym napięcie. Unika się w ten sposób błędu wynikającego z istnienia rezystancji przewodów, na której płynący prąd powoduje odkładanie się dodatkowego napięcia - podczas pomiaru dodaje się ono do napięcia panującego na czujniku temperatury .

4. Oprogramowanie

1. LabVIEW TRM

W LabVIEW dostępny jest program trm.llb/trm.exe, który dokonuje odczytu wartości z przetwornika, dokonuje wizualizacji danych w postaci wykresu, oraz umożliwia zapis danych pomiarowych do pliku tekstowego. Obsługę karty pomiarowej TRM1 dokonuje się poprzez wybranie odpowiedniego podprogramu za pomocą guzika na zielonym tle nad rysunkiem pokazującym wygląd karty pomiarowej.

Rysunek 4. Panel wyboru podprogramu TRM w LabVIEW

Rysunek 5. Panel pomiarowy programu TRM1

Dostępne są też odpowiednie komponenty w systemie LabVIEW, z których można zbudować własny program pomiarowy.

Rysunek 6. Paleta komponentów do systemu EURO w LabVIEW

Rysunek 7. Przykład najprostszego programu (diagram) do odczytu wartości z karty TRM

Kalibrowanie termometru przy pomocy programu TRM (dla LabVIEW)

Podczas pomiaru program odczytuje z przetwornika A/C liczbę, będącą w pewnej zależności z mierzoną temperaturą. Zadaniem programu jest przetransformowanie tej liczby w wartości temperatury w wybranych przez użytkownika jednostkach. Aby to zrobić należy najpierw, na podstawie znajomości zjawisk zachodzących w czujniku i układzie pomiarowym, założyć model jego działania, a następnie określić zależność matematyczną wiążącą odczytywaną liczbę z mierzoną temperaturą.

W programie TRM przyjęto bardzo upraszczające założenie, że liczby odczytane z przetwornika są liniowo zależne od temperatury, czyli można obliczyć ją używając równania:

gdzie T jest obliczaną temperaturą, x - odczytaną liczbą, a A i B - współczynnikami równania liniowego. Zadaniem użytkownika jest obliczenie, lub doświadczalne określenie tych współczynników, ponieważ zależą one od zakresu mierzonych temperatur i rodzaju, a nawet egzemplarza stosowanego czujnika, a otrzymane współczynniki - współczynniki cechowania lub kalibracji.

Przy założeniu liniowego związku temperatury z odczytaną liczbą procedura kalibrująca jest bardzo prosta. Należy umieścić czujnik w znanej temperaturze T₁ i po ustabilizowaniu się wskazań termometru odczytać odpowiadającą tej temperaturze liczbę x₁. Następnie należy czynności te powtórzyć dla innej znanej temperatury T₂, odczytując liczbę x₂. Obie liczby spełniają z założenia opisaną wcześniej liniową zależność, co można zapisać przy pomocy układu równań:

z których wyprowadzamy równania na współczynniki A i B:

Aby jak najlepiej wykorzystać termometr i zminimalizować błędy pochodzące od ewentualnych nieliniowości czujnika należy, jeżeli jest taka możliwość, wybrać temperatury kalibrowania leżące w pobliżu krańców przyszłego zakresu pracy termometru. Wskazane jest też kilkukrotne, najlepiej naprzemienne, cechowanie w obydwóch temperaturach.

Domyślne wartości współczynników kalibracyjnych A i B w programie TRM odpowiednio: 1 i 0, co widać na rysunku powyżej. Wystarczy obliczone współczynniki A B wprowadzić w odpowiednie pola widoczne na ekranie. Od tej pory wyniki uzyskane będą wskazywać temperaturę (również te zapisywane do pliku).

2. Program komputerowy TERMO (Wersja dla DOS)

Program napisany jest w języku Pascal i działa w systemie operacyjnym DOS. Przystosowany jest do pomiaru temperatury przy pomocy termometru cyfrowego TRM-1 pod nadzorem sterownika systemu EURO w wersji nr 6.1.

Wszystkie potrzebne ustawienia wprowadzane są poprzez plik konfiguracyjny. W takim przypadku program należy uruchomić jako parametr nazwę pliku konfiguracyjnego np.: TERMO.EXE POMIARY.INI. Nazwa pliku konfiguracyjnego może być dowolna w zakresie ograniczonym przez system operacyjny i obecność innych plików. W przypadku uruchomienia programu bez parametru - nazwy pliku konfiguracyjnego, program rozpocznie pracę z wartościami domyślnymi.

Plik konfiguracyjny jest typu tekstowego (ASCII), wiec jego zawartość można modyfikować przy pomocy programu dowolnego edytora, umożliwiającego zapis pliku w formacie tekstowym ASCII, bez dodatkowych znaków sterujących. Przykładowe edytory to: EDIT.EXE systemy DOS (od wersji 5.0), NCEDIT.EXE, wchodzący w skład pakietu “Norton Commander”, lub Notatnik w Windows 3.x.

Użytkownik ma do dyspozycji 11 parametrów pracy programu. W pliku konfiguracyjnym muszą pojawić się wszystkie, w określonej kolejności i każdy w osobnym wierszu. Parametry nie mogą być rozdzielane ani poprzedzane pustymi wierszami. Muszą także przyjmować parametry z określonego zakresu. Nie dostosowanie się do tych reguł może spowodować błędne działanie programu. W poniższej tabeli przedstawione zostały w poprawnej kolejności wszystkie parametry programu TERMO.

Parametr	Wartość domyślna	Zakres
Nazwa pliku danych	TERMO.DAT	Nazwa ograniczona przez DOS
Okres pomiarów	1 sekunda	Liczba całkowita dodatnia do 16 cyfr, wartość podawana w sekundach, 0 oznacza minimalny okres (ok. 70 ms).
Liczba pomiarów	Do zatrzymania	Liczba całkowita dodatnia do 16 cyfr, 0 oznacza prowadzenie pomiarów do zatrzymania przez użytkownika.
Tryb graficzny (wykres)	Nie	0 - nie , 1 - tak.
Dolne ograniczenie osi Y	- 4095	Liczba rzeczywista.
Górne ograniczenie osi X	+ 4095	Liczba rzeczywista.
Kalibracja - współczynnik A	0	Liczba rzeczywista.
Kalibracja - współczynnik B	1	Liczba rzeczywista.
Nr portu szeregowego	2	1 - COM 1, 2 - COM 2.
Identyfikator termometru	3	Liczba całkowita z zakresu 0...255, odpowiadająca ustawieniu zworek na karcie TRM - 1
Sygnalizacja dźwiękowa	Nie	0 - nie , 1 - tak.

Po uruchomieniu program wyświetla wartość wszystkich parametrów i sprawdza połączenie ze sterownikiem kasety oraz termometrem TRM-1. W przypadku po prawnej komunikacji z obydwoma urządzeniami można rozpocząć pomiary (ENTER) lub zakończyć pracę programu (ESC). Jeżeli program nie stwierdzi obecności jednego z urządzeń, informuje o tym i nie pozwala rozpocząć pomiarów (dowolny klawisz zakończenie programu).

Po rozpoczęciu doświadczenia w trybie graficznym na ekranie widoczna jest ramka, w której nanoszone są punkty odpowiadające zmierzonym wartościom temperatury, w zakresie ustalonym parametrami ograniczenia osi Y. Dodatkowo pod ramką wyświetlane są wartości: numer pomiaru (N), czas dokonania pomiaru liczony w sekundach od rozpoczęcia doświadczenia (X) i zmierzona temperatura (Y).

W trybie tekstowym każdemu dokonanemu pomiarowi odpowiada wyświetlenie jednego wiersza danych. W pierwszych trzech kolumnach przedstawione są wartości takie same, jak w trybie graficznym: numer pomiaru (Pomiar), czas dokonania pomiaru (Czas) i temperatura (Temp.). Pozostałe 5 wielkości dotyczy bezpośrednio użytego w temperaturze przetwornika A/C: bajt starszy (HI) i młodszy (LO) liczby odpowiadającej zmierzonej temperaturze, znak tej liczby (POL), wskaźnik przekroczenia zakresu pomiarowego (OVR) oraz obliczona na podstawie tych danych liczba (ADC).

W obydwóch trybach istnieje możliwość zakończenia doświadczenia poprzez naciśniecie dowolnego klawisza. Po zakończeniu pomiarów dane są dostępne w pliku tekstowym o nazwie przekazanej w pierwszym wierszu pliku konfiguracyjnego, lub w pliku o domyślnej nazwie TERMO.DAT. Pierwsza kolumna zawiera czas dokonania pomiaru temperatury, a druga jej wartość.

Współczynnik kalibracji - programowe kalibrowanie termometru

Podczas pomiaru program odczytuje z przetwornika A/C liczbę, będącą w pewnej zależności z mierzoną temperaturą. Zadaniem programu jest przetransformowanie tej liczby w wartości temperatury w wybranych przez użytkownika jednostkach. Aby to zrobić należy najpierw, na podstawie znajomości zjawisk zachodzących w czujniku i układzie pomiarowym, założyć model jego działania, a następnie określić zależność matematyczną wiążącą odczytywaną liczbę z mierzoną temperaturą.

W programach TERMO i TRM przyjęto bardzo upraszczające założenie, że liczby odczytane z przetwornika są liniowo zależne od temperatury, czyli można obliczyć ją używając równania:

gdzie T jest obliczaną temperaturą, X - odczytaną liczbą, a A i B - współczynnikami równania liniowego. Zadaniem użytkownika jest obliczenie, lub doświadczalne określenie tych współczynników, ponieważ zależą one od zakresu mierzonych temperatur i rodzaju, a nawet egzemplarza stosowanego czujnika, a otrzymane współczynniki - współczynniki cechowania lub kalibracji.

Przy założeniu liniowego związku temperatury z odczytaną liczbą procedura kalibrująca jest bardzo prosta. Należy umieścić czujnik w znanej temperaturze T₁ i po ustabilizowaniu się wskazań termometru odczytać odpowiadającą tej temperaturze liczbę X₁. Następnie należy czynności te powtórzyć dla innej znanej temperatury T₂, odczytując liczbę X₂. Obie liczby spełniają z założenia opisaną wcześniej liniową zależność, co można zapisać przy pomocy układu równań:

z których wyprowadzamy równania na współczynniki A i B:

Aby jak najlepiej wykorzystać termometr i zminimalizować błędy pochodzące od ewentualnych nieliniowości czujnika należy, jeżeli jest taka możliwość, wybrać temperatury kalibrowania leżące w pobliżu krańców przyszłego zakresu pracy termometru. Wskazane jest też kilkukrotne, najlepiej naprzemienne, cechowanie w obydwóch temperaturach.

Kalibrowanie termometru przy pomocy programu TERMO

Domyślne wartości współczynników kalibracyjnych A i B w programie TERMO odpowiednio: 0 i 1, co oznacza ze liczba odczytywana z termometru jest bez zmian wyprowadzana na ekran i do pliku. Można więc bez żadnych trudności używając tego programu do cechowania czujników do których przystosowany jest termometr i spełniających założenie liniowości zmian przetwarzanej wielkości w funkcji temperatury.

Najprostszym sposobem użycia programu TERMO do kalibrowania termometru jest uruchomienie go bez parametru - nazwy pliku konfiguracyjnego (współczynniki A i B przyjmują wartości domyślne 0 i 1) i analizowanie danych pojawiających się na ekranie. Po umieszczeniu czujnika w znanej temperaturze T₁ i subiektywnym stwierdzeniu ustabilizowania się wskazań w kolumnie Temp. Lub ADC należy tę wartość zapisać i powtórzyć pomiar dla drugiej temperatury wzorcowej T₂.

Aby program TERMO mógł korzystać z obliczonych współczynników kalibracji należy wpisać je w odpowiednie miejsca pliku konfiguracyjnego i uruchamiać z nazwą tego pliku jako parametr.

5. Zadania do wykonania

1. Kalibracja układu pomiarowego

2. Pomiar temperatury otoczenia wykalibrowanym czujnikiem

3. Pomiar charakterystyki ogrzewania czujnika R=f(t)

4. Wyznaczenie stałej czasowej czujnika

5. Analiza uzyskanych wyników

---