VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA STROJNÍ
Měřící a senzorová technika Semestrální projekt
Vypracovali: Akademický rok: Semestr:
Petr Osadník 2006/2007 zimní
Původní zadání úlohy Zapojení termistorového a diodového teploměru Zadání: 1. 2. 3.
Seznamte se s parametry termistorů pro měření teplot a využitím teplotní závislosti vlastností PN přechodu u diody. Zapojte termistorový teploměr k cejchovacímu zařízení a proměřte jeho statickou charakteristiku na příslušných rozsazích. Zapojte diodový teploměr a proměřte jeho statickou charakteristiku.
Schéma zapojení Blokové schéma zapojení měřicího obvodu termistorového teploměru je na obr. 1. Blokové schéma zapojení pro měření s termistorovým teploměrem a diodovým teploměrem včetně znázornění cejchovacího zařízení s řízeným zdrojem teplého vzduchu je na obr.3.
Vlastnosti a měření termistorů Zapojení termistorového teploměru využívá operačního zesilovače pro zpracování signálu vzniklého rozvážením odporového Wheatstonova můstku. Pro třívodičový měřicí obvod na obr. 1. platí za předpokladu R5=R5´, R6=R6´,R1=R2, a R5 =RM, kde RM je vnitřní odpor můstku s odpory R1, R2, R3, R4:
Diodový teploměr Diodové teploměry využívají teplotní závislosti úbytku napětí Ud na diodě při průchodu konstantního proudu Id :
(1)
Kde Ud[ V ] je napětí na diodě v propustném směru Ud0[ V ] je napětí na diodě v propustném směru při T = 0°C n [ - ] rekombinační koeficient polovodiče k [ JK-1] Boltzmannova konstanta (1,38 . 10-23 J.K-1 ) T [ K ] termodynamická teplota q [ C ] elementární náboj (1,602 . 10
-19
Coulombu)
Id [ A ] proud v propustném směru IS [ A ] nasycený proud v závěrném směru K* [ VK
-1
] úhrnná konstanta
Z uvedeného vztahu je zřejmé, že statická charakteristika je dosti dobře lineární a klesající. Vztah (1) není však zcela lineární, neboť platí:
kde b = (0,05 až 0,1) [ K-1 ] Diodové teploměry dosahují dle teplotního rozsahu linearity 0,5% až 15%. Příklad uspořádání diodového teploměru je na obr.2. Napojení diodového snímače na vyhodnocovací obvod je na obr. 3.
Postup měření: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Připojte termistorový teploměr k vyhodnocovacímu přístroji a přiveďte na jeho napájecí svorky napětí ± 15V ze zdroje. Nastavte vhodný rozsah na otočném přepínači a zapněte teplovzdušný ventilátor. Postupně zvyšujte jeho topný příkon pomocí tyristorového regulátoru. Do měřicího prostoru umístěte termistorový a diodový teploměr a na kontrolním rtuťovém teploměru odečítejte přesnou hodnotu teploty ohřívaného vzduchu. Změřte statickou charakteristiku termistorového teploměru v obou směrech pro určené rozsahy na vyhodnocovacím přístroji. Zapojte diodový teploměr a proveďte změření jeho statické charakteristiky. Změřené charakteristiky zakreslete do grafu, vyhodnoťte jejich průběh a vypočtěte rovnice regresních přímek.
Kontrolní otázky 1. 2. 3.
Uveďte vztah závislosti odporu termistoru na teplotě. Co je to časová konstanta snímače? Vysvětlete význam značek na stupnici měřicího přístroje.
Modernizační návrhy Zadání Navrhněte vhodnou modernizaci pracoviště pro měření statických charakteristik teploměrů. Proveďte cenovou kalkulaci návrhu. Přepracujte zadání úlohy do podoby odpovídající vámi navrženým vylepšením.
Modernizační návrhy Základním předpokladem je využití osobního počítače pro kompletní řízení úlohy. Student bude pouze přes softwarové rozhraní řídit jediný stavitelný parametr (teplotu) a ukládat data do souboru. Rovněž bude umožněna úplná automatizace úlohy, kdy program provede celé měření bez asistence obsluhy. Komunikace mezi PC a měřícími prvky bude vedena přes sběrnici RS232. Jako mezičlen mezi samotnými měřícími prvky a PC bude měřící přístroj. Ve řídící větvi bude obsažen optočlen, aby v případě poruchy nedošlo k poškození PC. Parametry přístrojů budou navrženy tak, aby byly schopny zpracovat i úlohu Zapojení teploměru, jejíž měření se provádí na stejném pracovišti. Autorem návrhu modernizace této úlohy je Bc. Petr Ščevík.
Návrh měřícího přístroje Měřící přístroj musí být schopen zpracovat data z termistorového teploměru, diodového teploměru a také termočlánku a PT100. Problematický je zejména diodový teploměr, který se dnes již nepoužívá a měřící přístroje pro něj se již nevyrábí. Data z diodového teploměru tedy lze získat pouze procesním napěťovým vstupem do měřicího přístroje, výsledný přepočet na teplotu se pak provede přímo v PC. Navrhuji tedy přístroj Omega DP3300 (Obr. 1), který tyto parametry splňuje.
Obr. 1 Navržený měřící přístroj
Obr. 2 Parametry navrženého přístroje
Schéma zapojení Teplovzdušný ventilátor
Optočlen
Tyristorový regulátor Kontrolní teploměr
Diodový snímač
Termistor
Měřící přístroj
Cenová kalkulace Pravděpodobně nejnákladnějším členem je měřící přístroj. Zvolený měřící přístroj Omega DP3300 stojí 10440 Kč. Přístroj je ovšem zvolen tak, aby fungoval i s druhou úlohou umístěnou na stejném pracovišti. Další součásti jako optočlen, konektory a kabeláž lze označit za poměrně malé náklady, jejichž celková cena by neměla překročit 1000 Kč. Celkové náklady na modernizaci této úlohy tedy jsou přibližně 11500 Kč. V nákladech není započtena cena osobního počítače. Vzhledem k poměrně malým nároků na výkon totiž není potřeba nové PC a mapovat ceny použitých počítačů je velice obtížné.
Návrh obslužného programu Obslužný program v PC bude mít dva základní módy. Ruční mód, který se spustí ihned po startu aplikace, bude fungovat tak, že si student zvolí čím bude měřit a zadá velikost vstupního proudu v mA (nastavení bude limitováno na 0 – 1000 mA), poté stiskne tlačítko proveď měření. Program sám bude porovnávat teplotu v čase a zobrazí ustálenou hodnotu. Za ustálenou hodnotu se považuje teplota, která se za 5s nezmění o víc než 0,1°C. Student poté může pokračovat měřením pro jinou velikost proudu nebo veškerá zaznamenaná data uložit do souboru, případně vymazat. Druhým módem je automatický mód, který bude jištěn heslem (z důvodu, aby si studenti neusnadňovali práci). V tomto módu se namísto velikosti vstupního proudu zadává perioda měření v mA a volí se zda se bude měřit vzestupný nebo sestupný proud. Program poté bude sám provádět měření s danou periodou, buď od 0 do 1000 mA, nebo opačně, v závislosti na zvoleném módu.
Obr. 3 Návrh designu ručního módu
Obr. 4 Návrh designu automatického módu
Použité zdroje http://web.vscht.cz/kadleck/aktual/mt_ji/prednasky/MT-JI_05-Teplota.pdf http://www.omegaeng.cz/ppt/pptsc.asp?ref=DPI32_Series&Nav=temm02 http://www.hw.cz/Teorie-a-praxe/Dokumentace/ART1141-Mereni-teploty---polovodicoveodporove-senzory-teploty.html http://www.omegaeng.cz/toc_asp/frameset.html?book=Temperature&file=SEL_GUIDE_METER
Aktualizace zadání Zapojení termistorového a diodového teploměru
Zadání: 1. Seznamte se s parametry termistorů pro měření teplot a využitím teplotní závislosti vlastností PN přechodu u diody. 2. Seznamte se s měřícím zařízením. 3. Proveďte vhodný počet měření k porovnání statických charakteristik diodového teploměru a termistorového teploměru. 4. Porovnejte naměřené hodnoty s referenčním rtuťovým teploměrem.
Schéma zapojení Blokové schéma zapojení měřicího obvodu termistorového teploměru je na obr. 1. Blokové schéma zapojení pro měření s termistorovým teploměrem a diodovým teploměrem včetně znázornění cejchovacího zařízení s řízeným zdrojem teplého vzduchu na obr.3.
Vlastnosti a měření termistorů Zapojení termistorového teploměru využívá operačního zesilovače pro zpracování signálu vzniklého rozvážením odporového Wheatstonova můstku. Pro třívodičový měřicí obvod na obr. 1. platí za předpokladu R5=R5´, R6=R6´,R1=R2, a R5 =RM, kde RM je vnitřní odpor můstku s odpory R1, R2, R3, R4:
Uref R0 R1
R2
+
UD0 R4
R5‘
TR
R6‘
R(T) Rv Rv – odpor přívodního vedení
R1, R2, R3, R4 – Odporový můstek
Obr. 1 Měřící obvod termistorového teploměru TT
UV
R2
Id + ZKP
Ud
-
RA
Id – konstantní proud v propustném směru Obr. 2 Zapojení diodového teploměru DZ
U2
Teplovzdušný ventilátor
Optočlen
Tyristorový regulátor Kontrolní teploměr
Diodový snímač
Termistor
Měřící přístroj
Obr. 3 Měřící aparatura s termistorovým a diodovým teploměrem
Diodový teploměr Diodové teploměry využívají teplotní závislosti úbytku napětí Ud na diodě při průchodu konstantního proudu Id : (1) Ud[V] - napětí na diodě v propustném směru Ud0[V] - napětí na diodě v propustném směru při T = 0°C n [-] - rekombinační koeficient polovodiče k [JK-] - Boltzmannova konstanta (1,38 . 10-23 J.K-1 ) T [K] - termodynamická teplota q [C] - elementární náboj (1,602 . 10 -19 Coulombu) Id [A] - proud v propustném směru IS [A] - nasycený proud v závěrném směru K* [VK -1] - úhrnná konstanta Z uvedeného vztahu je zřejmé, že statická charakteristika je dosti dobře lineární a klesající. Vztah (1) není však zcela lineární, neboť platí:
b = (0,05 až 0,1) [ K-1 ] Diodové teploměry dosahují dle teplotního rozsahu linearity 0,5% až 15%. Příklad uspořádání diodového teploměru je na obr.2. Napojení diodového snímače na vyhodnocovací obvod je na obr. 3.
Postup měření: 1. Zapněte měřící přístroj, PC a spustťte měřící aplikaci 2. Zapněte teplovzdušný ventilátor. Postupně zvyšujte jeho topný příkon pomocí nastavovacího pole proudu tyristorem v měřícím programu. 3. Do měřicího prostoru umístěte termistorový a diodový teploměr a na kontrolním rtuťovém teploměru odečítejte přesnou hodnotu teploty ohřívaného vzduchu. 4. Změřte statickou charakteristiku termistorového teploměru v obou směrech. 5. Zapojte diodový teploměr a proveďte změření jeho statické charakteristiky. 6. Změřené charakteristiky zakreslete do grafu, vyhodnoťte jejich průběh a vypočtěte rovnice regresních přímek. Kontrolní otázky 1. 2. 3. 4.
Uveďte vztah závislosti odporu termistoru na teplotě. Co je to časová konstanta snímače? Vysvětlete princip diodového teploměru. Který typ teploměru je přesnější?
Algoritmus automatického měření
Automatické měření
Načti typy připojených teploměrů, vzorkovací periodu a směr měření
Převod vzorkovací periody na počet měření
Prováděj pro všechna měření
Nastav hodnotu proudu
Pokud se teplota během 5s nezmění o víc než 0,1°C
Zobraz data
Poslední měření? ANO KONEC
NE
