22623

Градуювання напівпровідникового датчика температури

Лабораторная работа

Физика

При вимірюванні опору постійному струму натискати кнопку K можна тільки після підключення об'єкту вимірювання.Зняти залежність опору напівпровідникового датчика від температури та побудувати графік T = f R. Наприклад як фізичний принцип за яким можна побудувати термометр широко використовується залежність опору R від температури Т. Для реєстрації незначних змін опору супутніх незначним перепадам температур потрібна апаратура високої точності а це ускладнює але не виключає зовсім застосування металів як датчиків температури.

Украинкский

2013-08-03

81.5 KB

3 чел.

7

Лабораторна робота.

Градуювання напівпровідникового датчика

температури.

Вказівки щодо безпеки під час виконання роботи.

    1.Під час виконання роботи корпус вимірювального мосту Р5066 та електроплитки повинні бути надійно заземлені.

    2.При вимірюванні опору постійному струму натискати кнопку "K" можна тільки після підключення об'єкту вимірювання.

    3.Категорично забороняється! включати прилад Р5066, якщо напівпровідниковий датчик з'єднаний з його вхідними клемами  та  витягнутий з  рідини.

Мета роботи: 

                 1.Зняти залежність опору напівпровідникового датчика від температури та побудувати графік T = f (R).

                2.Ознайомитись з мостовим методом вимірювання опорів постійному струму за допомогою приладу Р5066.

Прилади і матеріали: напівпровідниковий датчик, штатив, термометр, нагрівач, вимірювальний міст Р5066.

                                                         Вступ.

      Вимірювання температури має важливе значення у повсякденній практичній діяльності людини. Традиційним засобом вимірювання є застосування датчиків температури (термометрів), у яких використовується ефект об'ємного розширення рідини із підвищенням температури. Цьому засобу вимірювання властива низка суттєвих недоліків: мала величина ефекту теплового розширення, крихкість скла - головного матеріалу, з якого виготовлена оболонка термометра; відносно невелика температура розм’якання скла(біля 500 C). Тому зараз існує велика кількість методів визначення температури, заснованих на використанні різних температурно залежних фізичних ефектів та здатних задовольнити різноманітні вимоги, виникаючі під час розв'язання прикладних задач.

     Наприклад, як фізичний принцип, за яким можна побудувати термометр, широко використовується залежність опору R від температури Т. Для металів ця залежність має лінійний характер:

                                                       R( T )  =  R( 1 +T  ),                                 (1)

де коефіцієнт має малу величину. Для реєстрації незначних змін опору, супутніх незначним перепадам температур, потрібна апаратура високої точності, а це ускладнює (але не виключає зовсім) застосування металів як датчиків температури. Значно простіше як датчики невеликих змін температури використовувати напівпровідникові матеріали, для яких залежність  опору  від  температури  яскраво  відтворена,  але   має   нелінійний

характер:

                                                       R( T )  =  R0  e /Т                                         (2)

Остання обставина створює деякі незручності у роботі, але не є суттєвою перепоною, коли у розпорядженні користувача знаходиться графік (або таблиця) температурної залежності опору  T = f ( R ) напівпровідникового датчика. Такий графік зветься градуіровочним і дозволяє за виміряним значенням опору визначити температуру.

     Слід зауважити, що градуювання це обов'язковий етап виготовлення будь-якого термометра перед тим, як за його допомогою буде вимірюватись температура. Наприклад, нанесення температурної шкали у скляному термометрі є не що інше, як градуювання, яке дозволяє визначити зв'язок між температурою Т та довжиною стовпчика L:  T = f ( L ).

     У даній роботі пропонується отримати залежність опору напівпровідникового датчика від температури  R = f ( T ), тобто вихідні дані для побудови залежності градуювання  T = f ( R ).

 

                               Опис експериментальної установки.

     Один з варіантів лабораторної установки, що дозволяє здійснити градуювання напівпровідникового датчика температури, поданий на мал.1.

                                   Д                 Т

            П

                                            Н                            Мал. 1.

До її складу входять: напівпровідниковий датчик (Д), ртутний термометр (T), прилад для вимірювання опору датчика ( П ) та нагрівач ( Н ).

     Нагрівач ( Н ) - це електроплитка, на якій розміщена посудина з водою. Електроплитка має магнітний перемішувач для рівномірного нагріву рідини. Кінці термометра ( T ) та напівпровідникового датчика ( Д ) під час вимірювань повинні бути занурені у воду.

     На передній стінці електроплитки розміщенні:

 -  перемикач "НАГРЕВ" - для включення спіралі нагріву;

 -  перемикач "ВРАЩЕНИЕ" - для включення двигуна перемішувача;

 -  ручка поступового регулювання швидкості обертання перемішувача.

     На задній стінці корпуса електроплитки знаходиться клема підключення захисного заземлення, гніздо кріплення запобіжника та дріт підключення до мережі 220 В, 50 гц. На верхній покришці електроплитки закріплений штатив, підтримуючий у вертикальному положенні термометр та напівпровідниковий датчик. Схема включення електроплитки зроблена таким чином, що нагрівання спіралі не може бути здійснене без включення обертання перемішувача.

     Для визначення величини опору напівпровідникового датчика у роботі використовується вимірювальний міст Р5066. Принцип дії цього приладу, конструкція та порядок роботи з ним наведені нижче.

                                               Вимірювальний міст Р5066.

      У промисловому приладі Р5066, призначеному для визначення величин опорів, реалізована схема мосту Уітстона (мал.2).

 

                                         R4      

Rx

                          Г                             БЖ                     220В, 50 ГЦ

                    R2                 R3

 

                                                    

                                                              Р5066

                                                               Мал. 2.

 Прилад має: набір опорів R2, R3, R4, які утворюють три плеча мостової схеми, показник рівноваги мосту (Г) та блок живлення (БЖ). Четвертим плечем мосту є вимірюваний опір Rx, який підключається до клем на передній панелі приладу та визначається за формулою:

                                                       Rx  =  R2  ( R3 / R4 )                                   ( 3 )

      Опір R2 називається відліковим плечем мосту. Його величина може змінюватись за допомогою двох перемикачів опору, утворюючих завдяки їх послідовному з'єднанню магазин опорів. Вісі перемикачів та опору виведені на передню панель, споряджені ручками та відліковими лімбами, які дозволяють визначити значення вимірюваного опору.

     Опори R3, R4 входять до розрахункової формули (3) у вигляді  відношення

K  =  R3 / R4. Тому нема необхідності знати точні значення цих опорів. У приладі Р5066 за допомогою кнопочного перемикача безпосередньо задається величина відношення К, вибір якої визначає піддіапазон вимірювань. Значення вимірюваного опору Rx у цьому випадку може бути знайдене як добуток опору відлікового плеча R2 на коефіцієнт К :

                                                       Rx  =  R2  K                                             ( 4 )

Показник рівноваги мосту складається з підсилювача та мікроамперметру на його виході. Чутливість показника рівноваги може бути обмежена за допомогою ручки "ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ", розташованій на передній панелі приладу.

     Крім вимірювання опорів постійному струму міст Р5066 може бути застосований для вимірювань ємності Сx та індуктивності Lx на частотах  від 40 до 20 000 гц, а також опорів змінному струму. Для перевірки вимірювань на змінному струмі у приладі передбачені додаткові органи управління: ручка відлікового плеча "tg " та кнопки вибору робочої схеми вимірювань. Призначення цих органів управління у даному опису не розглядається, тому що у лабораторній роботі вимірювання на змінному струмі не передбачені.

     Конструкція приладу дозволяє застосування під час вимірювань зовнішнього джерела та показника рівноваги мосту. Для підключення зовнішнього джерела та показника рівноваги на задній панелі приладу встановлені затискувачі, а на передній панелі знаходиться перемикач "ПИТАНИЕ ВНУТРЕННЕЕ-ВНЕШНЕЕ". Крім згаданих вже органів управління на передній панелі приладу знаходяться:

 - кнопка "СЕТЬ"- для включення живлення з мережі освітлення;

 - лампочка індикації підключення живлення;

 - затискувачі " L, R " ,  " * " ,  " C "- для підключення об'єкту вимірювання ;

 - затискувач " "- для підключення мосту до загальної шини заземлення.

     Клас точності вимірювального мосту Р5066 дорівнює 0,5. Межі допустимих похибок вимірювань опорів постійному струму наведені у таблиці.

                       Межі допустимої основної похибки (у %) вимірювань

                                              опорів постійному струму.

Піддіапазон вимірювань

опорів, ом

Межі допустимої

похибки, %

0,01 – 1

1 – 10

 ( 5 + 2 / R)

10 – 100

100 - 1000

1000 - 10 000

1

10 000 - 100 000

 2

100 000 - 1 000 000

1 000 000 - 11 000 000

5

 

         Підготування приладу до роботи та методика вимірювань опорів.

     Під час вимірювань опорів постійному струму за допомогою мосту Р5066 необхідно дотримуватись наступного порядку дій.

                                    Підготування приладу до вимірювань.

  1.  Ознайомитись з описом приладу, призначенням та розташуванням його органів керування.

2. Перевірити наявність та надійність кріплення дроту, підключеного до загальної шини заземлення та до клеми " ", розташованої на задній стінці приладу.

 3. Підключити вимірюваний об'єкт до вхідних затискувачів мосту. Для вимірювання опорів підключення зробити до клем " L, R " та " * ".

 4. Вставити вилку шнура живлення у розетку мережі 220 В, 50 Гц.

 5. Натиснути кнопку " ПИТАНИЕ-ВНУТРЕННЕЕ ".

 6. Натиснути кнопку вибору режиму вимірювання опорів (             ).

 7. Установити ручки відлікового плеча у середнє положення.

 8. Установити кнопкою " K " необхідний піддіапазон вимірювань опорів.

 9. Підключити міст до мережі живлення, для чого натиснути кнопку " СЕТЬ ".

10. Установити ручку " ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ " мосту у таке положення, щоб

   стрілка мікроамперметра відхилялася на 20 - 30 мкА.

                                         Балансування мостової схеми.

  1.  Уточніть необхідний для вимірювань піддіапазон. Для цього виберіть такий піддіапазон " K ", який відповідає мінімальному відхиленню стрілки міліамперметра. Наступні вимірювання слід робити на цьому піддіапазоні.

2. Досягніть мінімального відхилення стрілки мікроамперметра почерговими обертаннями ручок відлікового плеча мосту.

3. Врівноважте міст, поступово збільшуючи чутливість показника рівноваги, та зробіть, при необхідності, додаткове балансування мосту ручками відлікового плеча.

4. Визначте значення вимірюваної величини за формулою ( 4 ). Зверніть увагу на те, що значення R2, відраховане з лімбів мосту, має цілу та дробову частини.

                             Завдання та рекомендації до його виконання.

1. Ознайомтесь з устроєм та принципом дії приладів, що використовуються у даній роботі, а також з призначенням їх регулюючих елементів.

2. Зніміть залежність опору R напівпровідникового датчика від температури T:  R  =  f ( T ).

3. Побудуйте градуіровочний графік T  =  f ( R ).

4. Обробіть результати спостережень методом найменших квадратів (МНК). Визначте числові значення констант Rо та , які входять до формули (2), та їх похибки. Щоб застосувати МНК треба зробити лінеаризацію досліджуваної функції (2):

R = Rо e  /T .

Для цього робимо її логарифмування:

                                                       lnR  =  lnRо  +   / T lne ,   або

                                                       lnR  =  lnRо  +     1 / T .

      Вважаючи,що ln R = Y, ln Rо = A, = B та 1 / T = X, утворюємо рівняння прямої лінії :

Y  =  A  +  BX .

      Отже у системі координат lnR ( як Y ), 1 / T ( як X ) досліджувана функція лінійна і її графік має вигляд прямої лінії. Збудуйте цей графік.

Примітка.

У звіті до лабораторної роботи повинні бути :

 - залежність опору датчика R від температури (у вигляді таблиці з визначенням похибок вимірювань опорів);

 - графік залежності температури від опору датчика (градуіровочний  графік);

 - графік залежності ln R = f ( 1 / T ) (лінеаризація досліджуваної функції);

 - числові значення констант Rо та , визначені за методом найменших квадратів, та їх похибки.

 - висновки (з аналізом числових значень Rо та , їх фізичного змісту та похибок).

                                             Контрольні запитання.

1. Як залежить від температури опір металів та напівпровідників?

2. Що таке градуювання датчика температури? Для чого воно потрібне? Як воно може бути зроблене?

3. Який суттєвий зміст обробки даних експерименту методом найменших квадратів (МНК)?

4. Що таке лінеаризація експериментальних даних?

5. За якими правилами визначається похибка вимірювання кожного окремо взятого значення опору, зроблене приладом Р5066?

                                                           

                                                          Література.

1. П.В.Новицкий, И.А.Зограф. Оценка погрешностей результатов

    измерений, Л, Энергоатомиздат, 1991, стр.16-24.

 2. А.Н.Зайдель. Ошибки измерений физических величин, Л, Наука, 1974,

    стр. 69-76.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73750. Організація нормативно-правового забезпечення бухгалтерського обліку 147.5 KB
  Нормативноправову основу організації бухгалтерського обліку; порядок формування і документального оформлення облікової політики підприємства. Після вивчення теми 2 студент повинен вміти: пояснити рівні нормативноправового регулювання бухгалтерського обліку; розробити положення про облікову політику; охарактеризувати організаційні методичні та технічні складові облікової політики. Ключові слова Структура нормативноправового регулювання бухгалтерського обліку облікова політика...
73751. Зародження та розвиток анімаційних форм дозвілля 160.5 KB
  На відміну від сучасної людини, якій не важко відокремити свій вільний час від робочого, первісні люди сприймали життя як єдиний безперервний процес виживання свого роду і племені у ворожому і багато в чому незрозумілому світі.
73752. Социальные тенденции развития социального партнёрства 44 KB
  Тенденции развития социально трудовых отношений в развитых странах Основные результаты социально-трудовых отношений индустриальной эпохи. Социально трудовые отношения несмотря на наличие различных механизмов их регулирования продолжают оставаться противоречивыми. Эти противоречия кроются в самой природе социально-трудовых отношени...
73753. ГЕОЕКОЛОГІЧНЕ, ГІДРОГЕОЛОГІЧНЕ, ГЕОЛОГІЧНЕ ТА ІНЖЕНЕРНО – ГЕОЛОГІЧНЕ КАРТУВАННЯ 27.5 KB
  Загальні принципи і методи картування. Геологічне картування або геологічна зйомка вивчення геологічної будови земної кори тобто головна мета це складання різних карт того чи іншого регіону. Також при картуванні використовується аерофотометоди на основі яких можливо з високою точністю встановити на місцевості і відобразити на геологічній карті межі та інші деталі геологічної будови об`єкта картування.
73754. Етапи проведення геоекологічного, гідрогеологічного та інженерно – геологічного картування 36 KB
  Етапи картування зйомочних робіт. Етапи картування зйомочних робіт. Основною задачею тематичних загонів це ув`язка зйомочних робіт загонів партії та експедиції. У підготовчій період створюються партії виконується проектування робіт та підготовка матеріальної та технічної бази для виконання запроектованих робіт.
73755. Особливості зйомки у різних геолого-географічних умовах 24.5 KB
  Методика польових робіт. Техніка польових робіт. Тип геологічної зйомки і напрямок досліджень визначається геологічною обстановкою і фізикогеографічними умовами району робіт. Полевій метод являється основним і самим відповідальним у циклі геолого зйомочних робіт.
73756. Охорона навколишнього середовища і вимоги до виконання правил екологічного захисту місцевості, на якій проводились геологозйомочні роботи 38 KB
  Картування гідрогеологічних і інженерногеологічних процесів та явищ. Інженерногеологічні основи рекультивації геологічного середовища. Основними компонентами геологічного середовища формуючи умови будівництва і інженерногосподарського освоєння території являються гірничі породи підземні або ґрунтові води і геодинамічні процеси. Додатковими компонентами прямо або косвенно впливаючи на умови будівництва та експлуятяції споруд які необхідно включати при інженерногеологічних пошуків являються атмосфера гідросфера почви та рослинність.
73757. Камеральна обробка матеріалів 35.5 KB
  Завершальна обробка зібраного матеріалу. Завершальна обробка зібраного матеріалу. Завершальна обробка зібраного матеріалу складається з наступного: Проведення ретельних визначень зібраних залишків фауни та флори обов`язково виконується спеціалістами палеонтологами та петрографічних визначень зразків порід на основі цього уточнюється стратиграфічний склад порід і їх розповсюдження в районі...
73758. Організація бухгалтерського обліку на підприємстві та облікового процесу 158 KB
  Вибір підприємством форми організації бухгалтерського обліку. Вибір форми ведення бухгалтерського обліку. Мета вивчення Після вивчення теми 3 студент повинен знати: сутність і значення організації бухгалтерського обліку на підприємстві; форми організації бухгалтерського обліку; порядок ведення бухгалтерського обліку з використанням різних форм; порядок розробки робочого плану рахунків.