LABORATORIUM MIERNICTWA KOMPUTEROWEGO

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 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

przełączany za pomocą układu przekaźników (R

= 100, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M)

i mierzona oporność R

- 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

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

- to mierzone napięcie

jest ujemne

- ma oporność większą od aktualnie podłączonego opornika R

- to mierzone napięcie

jest dodatnie

- ma oporność równą aktualnie podłączonemu opornikowi R

- to mostek jest w stanie

równowagi i mierzone napięcie jest ma wartość 0

- dla R

→

∞

>> R

lub wejścia R+ i R- rozwarte) U

= 0,5U (czyli +5V)

- dla R

→

0 (R

<< R

lub wejścia R+ i R- zwarte) U

= - 0,5U (czyli -5V)

Fakty te będą wykorzystywane w pomiarze i kalibracji zestawu!

Oporność R

rezystora (termistora) obliczamy ze wzoru:

Oznaczenia:
R

- opornik zakresowy - przełączany za pomocą przekaźników (100, 1k, 10k, 100k, 1M,

10M)
R

- mierzona oporność

U - napięcie stałe zasilające mostek (10V

5mV)

- napięcie nierównowagi mostka

napięcie mierzone

wzmocnieni e









+
−

⋅

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:

= A_TRM*T

1jp

+ B_TRM

= A_TRM*T

2jp

+ B_TRM

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

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

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