Ćwiczenie 3. Pomiary temperatury

Transkrypt

1 1. Wstęp Ćwiczenie 3 Pomiary temperatury 20/04/2009 Temperatura jest wielkością fizyczną, której dokładny pomiar jest niezmiernie istotny w wielu dziedzinach nauki i techniki. Klasyczny pomiar termometrem cieczowym jest dość dokładnym pomiarem, jednak przy dzisiejszym stanie techniki, praktycznie moŝe zostać wyeliminowany ze współczesnych laboratoriów. Dziś bowiem metod dokładnego pomiaru temperatury jest wystarczająco duŝo, a co więcej pozwalają na wykorzystanie sygnału uzyskiwanego z czujnika temperatury jako informacji dla układów regulacyjnych bądź rejestracyjnych, co w przypadku termometrów cieczowych jest niemoŝliwe. KaŜde urządzenie słuŝące pomiarom temperatury, działa na zasadzie przekształcania wartości temperatury na inną proporcjonalną do niej wielkość fizyczną. W przypadku termometrów rtęciowych jest to efekt zmiany gęstości cieczy (np.: rtęci) w efekcie jej podgrzewania lub ochładzania przez umieszczenie w pewnej temperaturze. W ćwiczeniu zostaną zaprezentowane współcześnie uŝywane czujniki temperatury. Wykorzystuje się w nich proporcję zmiany wielkości fizycznych, które łatwo moŝna rejestrować przy wykorzystaniu układów elektronicznych. Będą to termopary wytwarzające sygnał napięciowy, układ scalony LM35 wytwarzający sygnał napięciowy ale o innym sposobie generacji sygnału, Pt100 rezystory zmieniające wartość oporu elektrycznego wraz z temperaturą, oraz współczesne, bardzo popularnie uŝywany układ Ds1820, przekształcające pomiar temperatury na wartość cyfrową i przesyłające go w tej postaci do układu elektronicznego. 2. Sygnał napięciowy termopara. Działanie czujników temperatury jako źródeł napięciowych, zostanie zbadane na przykładzie trzech czujników temperatury: termopary, diody półprzewodnikowej, oraz układu scalonego LM35. Wytwarzanie sygnału napięciowego w czujnikach związane jest z pewnymi zjawiskami fizycznymi, które zostaną kolejno omówione. Termopary zwane teŝ termoelementami, generują napięcie dzięki umieszczeniu końców elementu w róŝnych temperaturach. Wytwarzane przez nie napięcie nie nadaje się do zasilania urządzeń elektronicznych, natomiast świetnie sprawdza się w zastosowaniu do pomiaru temperatury. Historycznie zjawiska fizyczne na podstawie których pracują termopary pierwszy odkrył T. Seebeck. Przeprowadził on doświadczenie, w którym, w zamkniętym obwodzie elektrycznym, wykonanym z dwóch róŝnych metali, z których kaŝdy umieszczony został w innej temperaturze popłynął prąd elektryczny. Przedstawiono to na rysunku 1. Zjawisko powstaje dzięki róŝnej koncentracji elektronów w kaŝdym z nagrzewanych metali, co powoduje powstanie róŝnicy potencjałów na złączu metali, a w sytuacji zamkniętego obwodu przepływ prądu elektrycznego. Termopary są niezwykle uŝyteczne w pomiarach temperatury, chociaŝ znane są juŝ praktycznie ponad 100 lat. Ich główną zaletą jest bardzo szeroki zakres pomiaru temperatur, nawet do 1000 C. Poziomy wytwarzanych sygnałów są jednak bardzo niewielkie. Sygnały wyjściowe termopar, nawet dla złączy o największych wartościach zmian napięcia z temperaturą tj. Fe-Konstantan (J) osiągają wartości kilkadziesiąt mv dla kilkuset stopni Celsjusza (np.: 30,4 mv dla 730 C). Wymagają więc dokładnych mikrowoltomierzy napięcia stałego, co utrudnia ich rejestrację. Na rysunku 1 przedstawiono typową konstrukcję termopary.

2 t2 t2 Metal A Metal B Metal A Metal B t1 prąd elektryczny V t1 Rysunek 1. Konstrukcja złącza termopary. W lewej części rysunku widoczny jest zamknięty obwód termoelektryczny wykonany z dwóch róŝnych metali (zjawisko Seebecka). W prawej części rysunku typowy układ pomiarowy termopary, do końców elementu przyłączony jest woltomierz. Rys 1. Najpopularniejsze konstrukcje termopar są oznaczane literami: termoelement Fe-CuNi (Ŝelazo konstantan) oznaczany jest literą J, termoelement NiCr - NiAl oznaczany jest literą K. Pomiar przy wykorzystaniu termopary np.: typu J, polega na pomiarze napięcia wytworzonego na końcach termoelektrod (na rysunku 1 dołączony jest woltomierz). JeŜeli t 2 temperatura tzw. spoiny pomiarowej wynosi 150 C, to napięcie zmierzone przez woltomierz wynosi 8,010 mv, ale tylko w sytuacji gdy temperatura wolnych końców (złącz do których podłączany jest woltomierz) wynosi 0 C. Termoelement bowiem wytwarza napięcie zgodnie z róŝnicą temperatur w jakich umieszczono spoinę pomiarową oraz końce termoelektrod. Zgodnie z oznaczeniami na rysunku 1, wytworzone napięcie jest proporcjonalne do t 2 t 1. W sytuacji gdy spoina pomiarowa zostanie umieszczona w temperaturze t 2 = 150 C, a temperatura w jakiej umieszczono t 1 = 20 C, wtedy napięcie wytworzone na złączu wyniesie 6,991 mv dla róŝnicy temperatur 130 C. Wartości napięć odpowiadających danej temperaturze, odczytuje się z tabeli dla konkretnej konstrukcji termopar. Zatem procedura pomiaru przy wykorzystaniu termoelementu sprowadza się do następujących kroków: pomiar temperatury w jakiej umieszczone są końcówki czujnika i zamiana na wartość odpowiadającą wartości napięcia: np: t 1 = 20 C = 1,019 mv odczytanie wartości napięcia na woltomierzu. ZałóŜmy, Ŝe odczytano napięcie 11,981 mv sprawdzenie, czy wartość napięcia zmierzonego jest większa od wartości napięcia odpowiadającego temperaturze otoczenia. W podanym przykładzie jest większa co oznacza, Ŝe temperatury zmierzoną, oraz otoczenia sumujemy, wynik, otrzymując 13,0 mv. W tabeli wartości zaleŝności siły elektrotermicznej od temperatury znajdujemy wartość napięcia. Odpowiada to temperaturze 240 C. W sytuacji gdy spoina pomiarowa zostanie umieszczona w temperaturze niŝszej od temperatury otoczenia t 2 = 5 C, t 1 = 20 C, wtedy napięcie wytworzone na złączu będzie ujemne. Po zsumowaniu z siłą termoelektryczną odpowiadającej temperaturze otoczenia (1,019 mv - 0,766 mv) otrzymane napięcie przekształcamy zgodnie z poprzednimi wskazówkami. Konieczność dokładnej znajomości temperatury w której umieszczone są końce

3 czujnika, powodują, Ŝe na problem zaczęto patrzeć zupełnie z innej strony. Zamiast dokładnej kontroli jej wartości, wytwarza się pewną z góry znaną, stałą w czasie wartość temperatury odniesienia i umieszcza w niej końce termoelektrod. Metoda ta nazywana w literaturze stabilizacją temperatury odniesienia jest bardzo popularna. W ćwiczeniu zostanie przedstawiona przy pomocy dwóch róŝnych temperatur: grzałki specjalnej konstrukcji, generującej stałą w czasie temperaturę 50 C, oraz urządzenia zwanego zerostatem, wytwarzającego przy uŝyciu ogniw Peltiera 0 C. Jedną z prostszych sposobów wytworzenia temperatury 0 C jest wytworzenie mieszaniny wody z lodem. Dla dobrze zaizolowanego termicznie zbiornika z mieszaniną, istnieje moŝliwość utrzymywania temperatury odniesienia nawet kilka godzin. Nie jest to rozwiązanie wygodne, wymaga dostarczania w pewnym odstępie czasu lodu do mieszaniny i odbierania nadmiaru powstającej wody. Znacznie doskonalszą metodą stabilizacji temperaturowej, jest wykorzystanie termostatu generującego pewną wartość temperatury. W ćwiczeniu zostanie zaprezentowane urządzenie dostosowane do współpracy z termoelementem typu J. Urządzenie składa się z grzałki elektrycznej, do której przymocowane są końce przewodów łączeniowych, oraz układu kontrolującego temperaturę. Inną metodą stosowaną w ćwiczeniu jest wykorzystanie wspomnianego wcześniej zerostatu. Jego działanie oparte jest o półprzewodnikowy element chłodzący zwany ogniwem Peltiera. Zasada pracy oparta jest o intensywny odbiór energii cieplnej z chłodzonej powierzchni, co wymaga zasilania układu duŝym prądem, i transporcie ciepła do powierzchni przeciwnej. Wymaga to intensywnego odbioru powstającego ciepła. W tym celu naleŝy cały układ chłodzić wodą, której przepływ naleŝy włączyć przed jego uruchomieniem. Ogniwo Peltiera pozwala odpompowywać ciepło z danego obszaru i w konsekwencji uzyskiwać temperaturę niŝszą od temperatury otoczenia Rysunek 2. Urządzenia wykorzystujące metodę kompensacji temperaturowej końców termoelektrod. W lewej części rysunku przedstawiono termostat elektryczny, w prawej wykorzystanie mieszaniny wody i lodu. Oznaczenia rysunku 1 termopara, 2 przewody łączeniowe, 3 kompensowane temperaturowo przewody, 4- grzałka elektryczna, 5 mieszanina wody i lodu, 6 izolacja cieplna, 7 zasilanie obwdodów termostatu

4 3.Sygnał napięciowy złącze półprzewodnikowe Współczesne elementy półprzewodnikowe, między innymi diody, czy tranzystory, są wielkim osiągnięciem fizyki ciała stałego. Z powodzeniem wyparły lampy, czy układy mechaniczne, w większości zastosowań. Otworzyły drogę do zupełnie nowych zastosowań i rozwiązań technologicznych, niemoŝliwych wcześniej. Materiały półprzewodnikowe charakteryzują się bardzo małym przewodnictwem elektrycznym, silnie zaleŝnym od temperatury. Jedynie w temperaturze 0K, są izolatorami, w temperaturze pokojowej dysponują juŝ jednak niewielką przewodnością. Ich właściwości uniemoŝliwiają ich kwalifikację jako przewodników, oraz jako dielektryków. Złącze półprzewodnikowe powstaje z połączenia dwóch materiałów: przewodnictwa typu p i typu n. W materiałach typu p nośnikiem większościowym są tzw. dziury, tj. puste miejsca w siatce krystalicznej opuszczane przez przesuwające się elektrony. Materiał tworzony jest, poprzez zastąpienie w krysztale krzemu jednego atomu, przez atom o mniejszej niŝ krzem ilości elektronów (np.: aluminium), inaczej, usunięty zostaje jeden z elektronów siatki krystalicznej. W ten sposób wprowadzona zostaje dziura tj. nośnik ładunku dodatniego, tzw. akceptor. Materiał typu n jest z kolei domieszkowany atomami o większej niŝ krzem ilości elektronów, wprowadzając w ten sposób dodatkowy elektron. Posiadają więc nadwyŝkę elektronów. W obecności pola elektrycznego nośniki większościowe mogą łatwo przemieszczać się w krysztale, ze względu na niewielką energię wiązania (około 0,1 mv), tworząc w ten sposób prąd elektryczny. Jednak przepływ elektronów nie jest tak swobodny jak w przewodnikach. Powstrzymywany jest przez zanieczyszczenia siatki, oraz poprzez atomy domieszek (tzw. pułapkowanie elektronów na centrach donorowych). Oczywiście, nie moŝna w skali atomowej myśleć o idealnie dopasowanym złączu kryształów dwóch róŝnych materiałów. W rzeczywistości złącze wytwarzane jest wewnątrz jednej struktury krystalicznej, odpowiednio modyfikując jego obszary i uzyskując połączenie materiałów róŝnie domieszkowanych. Koncentracja cząstek większościowych Materiał typu p Np Materiał typu n Nn x Potencjał x Rysunek 3: Zmiana koncentracji dziur i elektronów w obrębie obszarów. Wykres znajdujący się w dolnej części rysunku przedstawia potencjał złącza niespolaryzowanego. W obrębie złącza występują przejścia niektórych elektronów z materiału typu n, gdzie stanowią nośniki ładunku do materiału typu p. Powodują w ten sposób dodatnią polaryzację obszaru typu n, i ujemną obszaru typu p. Podobnie dzieje się z dodatnimi nośnikami ładunków (dziurami), przeskakującymi z obszaru p do n. Dzieje się tak do czasu aŝ powstające napięcie powstrzyma przepływ ładunków. Powstające pole elektryczne istnieje tylko w obrębie złącza, a obszary poza złączem są jednorodne elektrycznie. W sytuacji niespolaryzowanego złącza powstaje więc na złączu bariera potencjału:

5 obszar typu n ma dodatni potencjał a materiał p ujemny (Rysunek 3). Przepływ dziur z materiału typu p do materiału typu n jest utrudnione, ze względu na barierę potencjału i tylko niewielka ich liczba będzie w stanie ją pokonać. Z drugiej strony, niewielka liczba ładunków dodatnich znajduje się w materiale typu n, dopływają one do złącza i przedostają się do obszaru typu p moŝna powiedzieć, Ŝe cząstki zsuwają się z wyŝszego potencjału. Obydwa te zjawiska tworzą prąd I 0, który musi być równy, po obu stronach złącza (i przeciwnie skierowany). Jest to prąd występujący na złączu równieŝ w przypadku jego pracy zaporowej. qv (1) I N ( obszar n) = N ( obszar p) e kt 0 p Wielkości w równaniu 1: k to stała Boltzmanna k = 1, J/K, T to temperatura złącza, q V to iloczyn ładunku przenoszonego przez potencjał V, czyli wartość przenoszonej energii E E. Iloczyn kt w temperaturze pokojowej wynosi w przybliŝeniu 0,025 mev. Wyraz e kt jest nazywany w termodynamice statystycznej czynnikiem Boltzmanna i jest proporcjonalny do prawdopodobieństwa wystąpienia pewnego stanu równowagi o energii E w temperaturze T. Równanie 1 naleŝy rozumieć, iŝ iloraz koncentracji dziur w materiale n do koncentracji dziur w materiale p, jest proporcjonalny do prawdopodobieństwa wystąpienia danego stanu energetycznego. Analogiczne równanie moŝna zapisać dla elektronów w obszarze p i n. Rysunek 4 przedstawia zmianę koncentracji nośników dodatnich wraz z temperaturą. Widać wyraźny wpływ temperatury na ich ilość, po obu stronach złącza. JeŜeli napięcie na złączu zostanie zmienione o pewną wartość V, tzn: potencjał obszaru n zostanie obniŝony, a obszaru p zwiększony, nastąpi przepływ ładunków ujemnych w kierunku obszaru p, oraz dziur w kierunku obszaru n: (2) I N ( obszar p) p p ( V ) q V e kt q V (3) I N ( obszar p) e kt e kt p Jednocześnie wciąŝ występuje zjawisko dyfuzji dziur z obszaru n i elektronów z obszaru p, w stronę przeciwną. Całkowite natęŝenie prądu płynącego przez złącze spolaryzowane, jest qv dla T=20K dla T=200K T=313K Nn/Np qv/k Rysunek 4: ZaleŜność zmiany ilorazu koncentracji nośników dodatnich od ilorazu qv/kt dla róŝnych temperatur.

6 róŝnicą obydwu prądów: q V (4) I 0 0e kt D = I I = I I 0 JeŜeli do złącza umieszczonego w danej temperaturze T dostarczony jest potencjał U, wtedy przepływ prądu jest dany wzorem: qu (5) I1 = I 0e kt I 0 Przy zmianie temperatury umieszczenia złącza o T: qu k (6) ( T + T ) I 2 = I 0e I 0 Czynnik Boltzmanna rośnie wraz z temperaturą, a zatem wzrasta równieŝ prąd przepływający przez złącze. Zasada zmiany prądu płynącego przez złącze pn wraz z temperaturą jest rzadko wykorzystywana w sposób bezpośredni, aczkolwiek naleŝy zdawać sobie sprawę z moŝliwości wykorzystania tego zjawiska. Najczęściej wykorzystaniu złącz pn do pomiaru temperatury, słuŝy układ szeregowy dioda rezystor, zasilany stabilizowanym, stałym napięciem (Rysunek 5). Przy wzroście przepływu prądu przez złącze, w wyniku wzrostu temperatury, zwiększa się spadek napięcia na D Napięcie na rezystorze wzrasta wraz ze wzrostem prądu R Prąd płynący w obwodzie złącza pn Rysunek 5: Schemat obwodu pomiarowego, wykorzystującego diodę jako czujnik temperatury rezystorze (musi on być rezystorem duŝej dokładności, którego wartość nie ulega znacznym zmianom w czasie), a co za tym idzie następuje spadek napięcia na złączu półprzewodnikowym. W przypadku zmniejszania temperatury złącza, zachodzi proces odwrotny, tzn: zmniejszanie wartości natęŝenia prądu płynącego przez diodę, zmniejszanie napięcia na rezystorze, oraz wzrost napięcia przewodzenia diody. Opisane zjawisko pozwala na wykorzystywanie popularnych elementów, nawet bardzo dokładnym pomiarom. Wymaga to nierzadko stosowania precyzyjnych układów scalonych wzmacniaczy operacyjnych, oraz, co jest znacznie trudniejsze i bardziej pracochłonne, dokładnego skalowania charakterystyki danej diody. JuŜ od lat 70-tych produkowane są specjalne układy scalone, oparte o opisany efekt, których zadaniem jest odpowiednia generacja wielkości elektrycznej. Do najpopularniejszych naleŝą: LM35, generujący napięcie

7 dla T=333K dla T=303K T=273K I/I0 q Delta V/(kT) Rysunek 6: Zmiana prądu złącza pn w funkcji q V/kT dla róŝnych temperatur. stałe o wartości 10 mv na 1 C, AD590 będący precyzyjnym źródłem prądu wytwarzającym 1µA na kaŝdy 1K temperatury mierzonej. Jednym z najczęściej stosowanych współcześnie, jest Ds1820 i jego liczne odmiany, którego podstawową zaletą jest pomiar temperatury, którego wartość w postaci cyfrowej, a zatem w formie niepodatnej na zakłócenia jest przesyłany do odbiornika. Znaczny spadek ceny wymienionych elementów w ostatnich latach, spowodował nieopłacalność samodzielnego stosowania diód półprzewodnikowych dla pomiaru temperatur. 4.Termometry rezystancyjne Oporniki słuŝące do pomiarów temperatury, wykonywane są z metali. Wykorzystują efekt zmiany ich oporności, wynikający ze zmiany temperatury. Metale charakteryzują się tzw. swobodnymi elektronami, które umoŝliwiają bardzo szybki przepływ prądu. Ich ruch nie jest idealny. Powstrzymywany jest bowiem przez nieruchome, drgające jony siatki krystalicznej i zanieczyszczenia materiału. Wraz ze wzrostem temperatury, wzrasta energia jonów, co powoduje większą ilość zderzeń i większe hamowanie ruchu elektronów. Wzrasta wartość oporu metalu. W efekcie spadku temperatury obserwowany jest wzrost przewodności metalu. Nie wszystkie metale nadają się na czujniki, dla pomiarów temperatury. WaŜne jest, by charakteryzowały się duŝym współczynnikiem zmiany rezystancji z temperaturą. Ułatwia to rejestrację zmian i nie wymaga wzmacniania sygnałów pomiarowych. Inną waŝną cechą jest stałość parametrów rezystora w czasie, tzn.: w danej temperaturze pomiarowej rezystor pomiarowy charakteryzuje się zawsze tą samą wartością oporu. Przydatnym parametrem jest równieŝ liniowość zmian zaleŝności rezystancji z temperaturą, co ułatwia konstrukcję termometrów opartych o dany rezystor pomiarowy (w przeciwnym razie, dla dokładnych pomiarów w pełnym zakresie temperatur wymagane są układy linearyzujące). Te wymogi spełniają przede wszystkim czyste metale. Do jednych z popularniejszych naleŝy platyna, na bazie której wykonywany jest rezystor Pt100, tzn.: rezystor platynowy, o rezystancji 100 Ω, w temperaturze 0 C. Platyna moŝe być wykorzystywana w zakresie maksymalnie rzędu 1000ºC. Materiał wykorzystywany na rezystory termometryczne musi charakteryzować się odpowiednią czystością, przy czym o czystości moŝna wnioskować na podstawie stosunku rezystancji przy temperaturze 100ºC do rezystancji w temperaturze 0ºC. Dla czystej platyny wymagana wartość tego stosunku wynosi: R (7) 100 = 1, 391 R0 Charakterystyki termometryczne termorezystorów są bardziej liniowe niŝ termopar. W celu dokładnego odczytu temperatury, naleŝy jednak w dalszym ciągu uwzględniać

8 nieliniowości przy zamianie wartości rezystancji na jednostki temperatury. Najłatwiej w tym celu posłuŝyć się zaleŝnością Callendar a Van Dusen a: t t t t (8) R t = R0 + R0β t δ 1 ε przy czym: R - rezystancja termometru w temperaturze t [ºC] t R0 - rezystancja termometru w temperaturze 0ºC β - współczynnik temperaturowego wzrostu rezystancji w temperaturze 0ºC (typowo Ω/Ω/ºC dla czystej platyny) δ =1.49 ε = 0 dla t > 0, oraz ε = 0. 11dla t < 0 Dokładne wartości stałych β, δ i ε wyznacza się z wartości rezystancji pomierzonych w punkcie potrójnym wody, temperaturze wrzenia wody i temperaturze wrzenia siarki. Innym waŝnym aspektem jest dopuszczalny prąd pomiarowy czujnika, który ze względu na samo podgrzewanie czujnika nie powinien być większy niŝ 3 15 ma, w zaleŝności od konkretnego wykonania. Jako materiały na termorezystory wykorzystuje się teŝ inne metale, jak miedź czy nikiel. Jednak charakteryzują się one gorszą powtarzalnością i/lub mniej liniową charakterystyką termometryczną w stosunku do platyny. Najprostszym układem pomiaru temperatury za pomocą termorezystancyjnego czujnika jest pomiar jego rezystancji za pomocą omomierza. Taki dwuprzewodowy układ przedstawiono schematycznie na rysunku 7. rezystancja przewodu 3 czujnik 100 ohm. rezystancja przewodu Rysunek 7 Układ dwuprzewodowy do pomiaru temperatury za pomocą czujnika Pt-100 Dla typowych czujników Pt-100, współczynnik temperaturowego wzrostu rezystancji wynosi β = Ω/ºC, co dla elementu o rezystancji 100 Ω powoduje jej zmianę na poziomie 0,385Ω/ºC. Są to wartości niewielkie, szczególnie, jeŝeli weźmiemy pod uwagę, iŝ rezystancje przewodów doprowadzających mogą wynosić od kilku do kilkudziesięciu omów i w dodatku, jako wykonane równieŝ z metali, zmieniają wraz z temperaturą własny opór. Dla przykładu, jeŝeli nie uwzględniona zostanie rezystancja przewodów doprowadzeniowych wynosząca 10 Ω, spowoduje to przekłamanie temperatury na poziomie 10/0,385=26ºC. Najprostszym sposobem ominięcia tych problemów jest uŝycie mostka pomiarowego Wheatstone a (rysunek 8). Napięcie wyjściowe mostka jest odwrotnie proporcjonalne do rezystancji rezystora pomiarowego Pt 100. Do wykonania mostka potrzebne są trzy rezystory

9 o zerowym temperaturowym współczynniku rezystancji, oraz zewnętrzne źródło napięcia. Rezystor Pt 100 umieszcza się zwykle z dala od pozostałych, by nie naraŝać ich na wpływ wysokiej temperatury. Jednak dołączenie przewodów doprowadzeniowych do Pt 100 znowu wywołuje problem zmian rezystancji tych przewodów, przez co uzyskuje się mniejszą dokładność wyników. Problem ten moŝna zminimalizować poprzez zastosowanie mostka w konfiguracji trójprzewodowej (rysunek 9). V Pt 100 Rysunek 8 Mostek Wheatstone a A V C Pt 100 Rysunek 9 Mostek w konfiguracji trójprzewodowej W takim układzie przewody A i B muszą mieć tą samą długość. Ich rezystancje niwelują się, poniewaŝ przewody te naleŝą do przeciwnych gałęzi mostka. Przewód C doprowadza potencjał do woltomierza i nie przewodzi prądu. Bardzo dobrym układem pomiarowym z uŝyciem czujnika Pt-100 jest układ czteroprzewodowy, pokazany na rysunku 10. Rp B A V Pt 100 Rp Rysunek 10 Układ czteroprzewodowy do pomiaru rezystancji czujnika Pt 100 Technika uŝywania czterech przewodów jest niesłychanie skuteczna i eliminuje wiele problemów związanych z uŝyciem popularnych mostków pomiarowych. Woltomierz mierzy jedynie spadek napięcia na termorezystorze, wobec czego długość i rezystancja przewodów nie mają wpływu na dokładność pomiarów. MoŜliwe jest wykorzystanie źródła prądowego,

10 dzięki czemu moŝna mierzyć tylko spadek napięcia proporcjonalny do rezystancji czujnika Pt 100 i na tej podstawie określać mierzoną temperaturę. 5.Postać cyfrowa sygnału czujnik DS1820 Najnowocześniejsze czujniki generują sygnał w postaci cyfrowej. Napięcie, odpowiadające temperaturze, zamieniane jest poprzez przetwornik przetwarzający sygnał analogowy na cyfrowy (A/D), tzn.: otrzymywana jest pewna liczba odpowiadająca wartości napięcia. Dla dobrego zrozumienia sposobu działania układów cyfrowych naleŝy znać dwa systemy liczbowe dwójkowy (binarny) i szesnastkowy (heksadecymalny). Dla odróŝnienia liczb zapisywanych w róŝnych systemach, liczba dwójkowa będzie poprzedzana literą 'b', szesnastkowa '0x'. System dwójkowy: cyfry: 0 i 1 przykład uŝycia: b0101 = = 5; b1111 = = 15 System szesnastkowy: cyfry: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F przykład uŝycia: 0xA0' = A = 160, 0xFF = =255. System pomaga w łatwej zamianie liczby na system binarny, jednocześnie będąc oszczędnym w zapisie, np: liczba szesnastkowa 0x56 to b0101(5)1010(6) Praca przetwornika A/D: Jakość pracy układu A/D określa się maksymalną cyfrę generowaną przez dany przetwornik, np: 8 bitowy oznacza, Ŝe maksymalnie generuje liczbę 255. O tym jaka wartość napięcie odpowiada 1 liczbie, określa napięcie referencyjne. Decyduje jakiej wartości napięcia zmierzonego odpowiada liczba maksymalnie zliczona. W tym przypadku załoŝono napięcie referencyjne o wartości 2,5 V. Oznacza to, Ŝe rozdzielczość mierzonej cyfry wynosi 2,5 V/256=0, V. Dla przetwornika 10 bitowego (1024) mamy: 2,5 V/1024=0, V. Przykład: Czujnik temperatury LM35 umieszczony w temperaturze 80ºC generuje napięcie 800mV. Napięcie w przetworniku A/D z powyŝszego przykładu (10 bitowy) zamienione zostaje na liczbę n=0,800/ 0, = 327,68. PoniewaŜ n jest liczbą całkowitą, w wyniku otrzymamy 327 lub 328 (zaleŝy to od układu przetwornika A/D). Praktycznie kaŝdy układ A/D ma dokładność co do ostatniego bitu cyfry (najmłodszy bit), co związane jest z błędami zaokrąglania. W ćwiczeniu cyfrowy sposób przesyłu sygnału został zaprezentowany przez czujnik temperatury DS1820 firmy Dallas. Układ scalony DS1820 mierzy temperatury w zakresie od -55 C do 125 C. Zawiera w sobie przetwornik A/D i na wyjściu układu otrzymujemy 9 bitową liczbę odpowiadającą zmierzonej temperaturze. Układ mierzy temperaturę z dokładnością do 0,5 C. Sygnał przesyłany jest synchronicznie (wymaga linii zegara). Układ do wysyłania sygnału uŝywa protokołu 1-Wire TM producenta, która pozwala na podłączanie do jednej linii transmisyjnej praktycznie nieograniczonej liczby czujników DS1820. Procedura pomiaru wymaga najpierw podania pewnego specjalnego, indywidualnego numeru, zakodowanego w nieulotnej pamięci

11 (ROM) czujnika. Pomiar do urządzenia zbierającego dane z czujników, wysyła czujnik o wybranym numerze. Czujnik do pracy wymaga urządzenia będącego w stanie nie tylko odebrać sygnał cyfrowy, ale teŝ wysłać pewne polecenia. Układ DS1820 jest swego rodzaju terminalem, dysponującym pamięcią ROM i RAM przechowującą dane pomiarowe. Komunikacja z układem sprowadza się do uŝywania kilku poleceń, wybieranych przez wysłanie do czujnika pewnej danej liczbowej. Read Rom 0x33. Czytanie z pamięci, po otrzymaniu polecenia układ wysyła swój identyfikator. Polecenia moŝna uŝywać w przypadku jednego czujnika na linii. Match Rom 0x55. Polecenie słuŝy do wyboru konkretnego czujnika linii transmisyjnej. Za poleceniem powinien zostać wysłany identyfikator. Po tym poleceniu tylko wybrany czujnik będzie odpowiadał na polecenia, reszta czujników będzie oczekiwać na polecenie restartu. Skip Rom 0xCC. Polecenie pozwala pominąć procedurę wyboru czujnika temperatury i uzyskać dostęp do pamięci bez wysyłanie identyfikatora. Polecenie uŝyteczne w systemie z jednym czujnikiem. Convert T 0x44. Polecenie rozpoczyna przetworzenie temperatury mierzonej na postać cyfrową. Czujnik do momentu zakończenia przetwarzania ma na wyjściu stan 0. Zmiana stanu na 1 oznacza zakończenie operacji. Read Scratchpad - 0xBE. Czytanie z pamięci przechowującej wynik pomiaru temperatury. Układ wysyła 9 bitową cyfrę. Przesyłana liczba szeregowo odpowiada ilości zmierzonych 0,5 C. Np: liczba 0x20 odpowiada 32 0,5 C = 16 C. 6. Układ zbierania danych Układ uŝyty do komunikacji z komputerem przez port szeregowy, komunikacji z czujnikiem DS1820 oraz prezentacji pracy przetwornika A/D, pracuje w oparciu o procesor firmy Microchip. Układy tej firmy są popularnymi mikrokontrolerami, wyposaŝonymi w szereg funkcji takich jak układ zegara, pamięć EEPROM, PWM etc. Komunikacja z urządzeniem sprowadza się do wysyłania przez port szeregowy określonych poleceń, definiujących pracę układu. W ćwiczeniu naleŝy zapoznać się z procedurą sterowania pomiarami czujnika DS1820, oraz zapoznać ze sposobem przekazywania danych pomiarowych czujnika LM35 do komputera Układ pozwala na sprawdzenie cyfrowego uśredniania próbek zebranych w pewnym czasie. W przypadku silnego sygnału zakłócającego jest to najprostsza m Metoda otrzymania poprawnego wyniku pomiaru. Układ pozwala na ustalenie jaka ilość próbek uŝyta zostanie do uśrednienia sygnału..

12 7.Przebieg ćwiczenia Badania przy uŝyciu termoelementu W ćwiczeniu uŝywane będą dwa urządzenia grzejne, cylindryczny piec przelotowy, nagrzewany do temperatur w zakresie do 500 C, oraz drugi, niewielkiej mocy, uŝywany w zakresie do 150 C. Piec wysokotemperaturowy, uŝyty będzie w pomiarach termoelementów, oraz Pt100. Regulator temperatury pieca powinien zostać ustawiony na pewną wartość. NaleŜy wykonać pomiar temperatury, z uŝyciem termopary, bez kompensacji, z kompensacją końców termoelementu w 0 C, oraz przy wykorzystaniu kompensacji temperaturowej 50 C. UŜyty w ćwiczeniu układ pozwala wykonywać wszystkie pomiary, bez konieczności zmiany obwodu pomiarowego, jedynie przełączając potencjometr, wybierający temperaturę kompensacyjną. NaleŜy obliczyć temperaturę mierzoną, korzystając z kaŝdej z metod pomiarowych. Wykonać pomiary dla minimum 10 punktów pomiarowych. W sprawozdaniu wykonać wykres zaleŝności siły termoelektrycznej z temperaturą. Ocenić dokładność kaŝdej z metod Rezystor Pt100 Pomiary przy wykorzystaniu czujnika Pt100 wykonujemy równolegle z badaniami termoelementu. W tym celu naleŝy wykorzystać pomiar z uŝyciem dwóch przewodów, trzech, oraz w układzie czteroprzewodowym. Porównać wyniki pomiaru. W sprawozdaniu naleŝy ocenić dokładność i opisać wykonanie pomiarów. Dioda półprzewodnikowa 1N4148 Badanie diody półprzewodnikowej naleŝy przeprowadzić w układzie jak na rysunku 11. Szeregowo połączone potencjometr R1, oraz dioda sygnałowa małej mocy (w ćwiczeniu uŝyta jest popularna dioda sygnałowa 1N4148). Potencjometr pozwala utrzymywać stałą wartość prądu płynącego obwodem, bądź stałą wartość napięcia przewodzenia diody, odpowiednio zwiększając, bądź zmniejszając wartość natęŝenia prądu. Obwód zasilany jest stałym napięciem stabilizowanym. W obwód szeregowo włączony jest amperomierz prądu stałego (mikroamperomierz) oraz woltomierz mierzący napięcie przewodzenia diody. Jako pierwsze pomiary, naleŝy wykonać pomiary samopodgrzewania diody przy róŝnych wartościach prądu przez nią przepływającego, tj. przy róŝnych wartościach napięcia zasilającego. W tym celu układ pomiarowy dysponuje przyciskiem, zmieniającym przepływ prądu z ustawionego przez uŝytkownika, na maksymalny moŝliwy 10mA. Po ustawieniu danej wartości prądu odczekać do momentu ustalenia wartości napięcia przewodzenia. Obliczyć moce wydzielane na diodzie. Następnie diodę umieszczamy w powolnie nagrzewanym termostacie. Regulacja temperatury umoŝliwia ustalenie pewnej jej wartości. NaleŜy notować temperaturę wskazywaną przez regulator. Badania diody półprzewodnikowej wykonujemy na dwa opisane wcześniej sposoby. Pierwszy to wymuszenie stałego przepływu prądu, o wartości np.: 2 ma, i notowanie napięcia przewodzenia diody. Drugi sposób, to utrzymywanie stałej wartości napięcia przewodzenia

13 diody (np.: 0,7 V) w kaŝdej mierzonej temperaturze i notowanie wartości prądu. Wykonać minimum 10 punktów pomiarowych. W sprawozdaniu naleŝy na podstawie uzyskanych wyników wykreślić zaleŝność napięcia przewodzenia, od temperatury, oraz prądu diody w funkcji temperatury. Ocenić uzyskane wyniki. Termostat R1 A D1 + - V Rysunek 11: Obwód pomiarowy dla diody V LM35 Czujnik LM35, jest układem scalonym, słuŝącym precyzyjnym pomiarom temperatury, którego sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do temperatury w skali Celsjusza. Wytwarza 10 mv/ C, z typową dokładnością 0,5 C. Oznacza to, Ŝe czujnik w 0 C powinien wskazać 0 V, a w 100 C 1000 mv. Mierzy temperatury w zakresie od -55 C do 150 C. +V GND Vout Rysunek 12: Widok wyprowadzeń układu LM35 (patrząc od strony wyprowadzeń spód obudowy). Układ LM35 do swojej poprawnej pracy wymaga dołączenia potencjału od +4V do +30V do wyjścia +V, oraz GND. Do wyjścia czujnika (OUT) naleŝy podłączyć miliwoltomierz, mierzący w zakresie do 1,5 V. Czujnik umieszczamy w termostacie podobnie jak diodę lub termistor. Pomiary wykonujemy do około 150 C i notujemy wyniki pomiarów, wraz z temperaturą odczytaną z termometru. W sprawozdaniu naleŝy wykreślić charakterystykę generowanego napięcia w funkcji temperatury mierzonej. Ocenić błędy pomiaru. Badanie przetwornika A/D i układu DS1820 Zapoznanie z pracą przetwornika A/D naleŝy przeprowadzić przy uŝyciu opisanego w

14 instrukcji układu pomiarowego, odbierającego i przesyłającego dane do komputera. Krótki opis wyjaśniający zasady pracy z urządzeniem umieszczony jest na stanowisku pomiarowym. W ćwiczeniu naleŝy notować liczbę przesłaną do komputera, porównać ją ze wskazaniami temperatury. Ocenić poprawność dokonywanych pomiarów. Układ DS1820 W ćwiczeniu naleŝy zbadać sposób przesyłu cyfrowego szeregowego, zarówno synchronicznie jak i asynchronicznie. Synchroniczny przesył sygnału uŝywany jest w komunikacji z czujnikiem DS1820, asynchroniczny w komunikacji z komputerem przez port szeregowy. Sprawdzić czy zakłócenia wpływają na wartości liczbowe przesyłane przewodami. Zanotować przykładowe dane przesyłane obiema metodami. Bibliografia: 1. R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands: Feynmana wykłady z fizyki, tom 3, Mechanika Kwantowa. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN L. Michalski, K. Eckersdorf: Pomiary temperatury. Warszawa, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne "Wikipedia", Thermistor --- Wikipedia, The Free Encyclopedia National Semiconductor. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors. November Dallas Semiconductor. DS Wir etm Digital Thermometer