1

BADANIA PORÓWNAWCZE TERMOREZYSTANCYJNYCH PÓŁPRZEWODNIKOWYCH  CZUJNIKÓW TEMPERATURY.

Przedmiotem badania jest losowo wybrana grupa czujników temperatury tego samego typu. Celem badań porównawczych czujników temperatury jest wyznaczenie rozrzutu parametrów  statycznych tych czujników na podstawie wyznaczonych z pomiaru ich charakterystyk statycznych. W badaniach tych bardzo ważne jest zapewnienie jednakowej temperatury badanych czujników. W tym celu wykorzystuje się komorę termostatyczną. W ćwiczeniu laboratoryjnym bada się jednocześnie osiem czujników mierząc spadki napięcia na tych czujnikach przy czym pierwszy czujnik wzorcowany jest jako termometr. Przyrosty spadku napięcia na tym czujniku wyznaczają chwile pomiaru spadków napięć na pozostałych czujnikach. Z pomiarów otrzymuje się charakterystyki :   

                                    ( 1 )

Ze względu na specyfikę układu pomiarowego stanowiska laboratoryjnego                ( 8-bitowa karta pomiarowa  0 ¸5V bez wzmacniaczy wejściowych ) do badań wybrano termorezystory półprzewodnikowe typu KTY10. Z powodzeniem można na tym stanowisku badać termistory o rezystancji zbliżonej do rezystancji badanych termorezystorów półprzewodnikowych.

Badane czujniki umieszczono w bloku aluminiowym w kształcie walca (duża przewodność i pojemność cieplna ) w otworach symetrycznie rozmieszczonych                      w podstawie walca o co zapewnia wyrównaną temperaturę badanych czujników.

Na rys.1 przedstawiono układ pomiarowy do badań porównawczych termorezystorów półprzewodnikowych.

Rys.1. Uproszczony schemat układu pomiarowego do badań porównawczych czujników temperatury.

Rezystory R1,..., Ri o wysokiej stabilności użyte w układzie pomiarowym przedstawionym na rys.1 umieszczono w otoczeniu o temperaturze pokojowej. Dobrano je tak, aby ich rezystancje były możliwie jednakowe;

W ćwiczeniu laboratoryjnym można przyjąć: .

Oznaczając U1( J ) , U2 ( J )  ,...,Un( J )   spadki napięcia mierzone odpowiednio na czujnikach           R1J , R2J,... RnJ  w danej temperaturze J  można wyznaczyć z pomiaru tych spadków rezystancje RiJ w tej temperaturze:

                                                   ( 2 )

Miarą rozrzutu charakterystyk statycznych badanych czujników jest rozrzut ich rezystancji w danej temperaturze określony jako bezwzględna lub względna różnica rezystancji badanych czujników. Dla pary czujników o numerach  i, k jest:

                     ( 3 )

lub                                                                                           ( 4 )

przy czym . – charakterystyka nominalna badanej grupy     ( 5 ) czujników. Sposób wyznaczania rozrzutu charakterystyk statycznych czujników dla dwóch temperatur z zakresu pomiarowego pokazano na rys.2.

Rys.2. Fragment dwóch charakterystyk statycznych czujników i i k  z zaznaczonymi wartościami ich rezystancji w temperaturach J1 i J2.

Pytania kontrolne

1. Podać istotne różnice pomiędzy parametrami różnych termometrów elektrycznych.
2. Dlaczego w układzie pomiarowym jak w ćwiczeniu laboratoryjnym nie można badać termorezystorów metalowych np. PT100? Jak należałoby przystosować układ pomiarowy do badania takich czujników?
3. Porównać czułość i liniowość termorezystorów półprzewodnikowych i metalowych.
4. Podać przykładowe przebiegi czułości termorezystora półprzewodnikowego                       i termistora jako funkcję temperatury.

Program ćwiczenia

1. Dokonać rozpoznania układu pomiarowego i przygotować go do pracy                     ( włączyć komputer na stanowisku laboratoryjnym i wywołać właściwy        program).
2. Sprawdzić stan komory termostatycznej ( jeśli jest nagrzana rozpocząć pomiary przy stygnięciu komory z otwartymi drzwiczkami ).
3. Uruchomić program pomiary i rejestracji danych ( postępować według instrukcji wyświetlanej na ekranie monitora – nazwy bez rozszerzeń ), zresetować naciskając dla pewności dwukrotnie przycisk „RESET” interfejsu – dalej pomiar przebiega automatycznie.

Uwaga ! Badane charakterystyki czujników można wyznaczać przy nagrzewaniu ( opcja „ 3-13” ), lub nagrzewaniu i stygnięciu ( opcja „4-10” ). Opcja „3-13” jest korzystniejsza ze względu na szerszy zakres temperatur -  ( 30 ¸130 )°C .

4. Podczas automatycznie przebiegającego pomiaru przystąpić do pomiarów na innym stanowisku zgodnie z harmonogramem ćwiczeń lub poleceniem prowadzącego ćwiczenia. Po zakończeniu się programu wykonać czynności związane z zapisem danych pomiarowych , wyjściem z programu i wyłączenia komputera wcześniej uzgadniając z prowadzącym ćwiczenie.

5.      Na podstawie zmierzonych spadków napięć na badanych czujnikach                       ( 7 czujników ) wyznaczyć ich charakterystykę nominalną ( średnią )  wykorzystując zależność ( 5 ).

6.      Wyznaczyć błąd nieliniowości charakterystyki nominalnej w zakresie temperatur, w których badano czujniki lub podanym przez prowadzącego ćwiczenie.

7. Wyznaczyć bezwzględne i względne rozrzuty charakterystyk badanych czujników  korzystając z zależności  ( 3 ) i ( 4 ).
8. Sporządzić wykresy wyznaczonych zależności.
9. Wnioski z pomiarów.

Opracował: Jan Leks