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

80733. Actual division of the sentence 26.83 KB
  The purpose of the actual division of the sentence is to reveal the correlative significance of the sentence parts from the point of view of their actual informative role in an utterance. The main components of the actual division of the sentence are the theme and the rheme.
80734. Sentence in traditional syntax 27.07 KB
  From the traditional point of view the nuclear of syntax is formed by the gram. Subject and gram. Predicate. Periphery is formed by other parts of a sentence: complements, objects, two types of adjuncts (attributes and adverbial modifiers). These parts of a syntax are called secondary and are normally optional.
80735. Parts of speech classification, gram-l classes of words 27.62 KB
  There are three main criteria according to which we classify the words into a different gram. classes. They are meaning, form function. not the individual lexical meaning of each word but the meaning common to all the words of a given class which constitutes its essence; form, it’s the morphological characteristics of a type of word...
80736. Text linguistic 28.24 KB
  One-direction sequences can be used in dialogue, when a utterance is not a rejoinder, but a continuation the stimulating utterance addressed the same third party or to both speakers themselves, e. g. St. Erth, all money goes fellows who don’t know a horse from a haystack.- Canynge. And care less want men racing to whom a horse in something.
80738. Morphology: General Principles. Structure of English words 27.02 KB
  Lexicology- is a brunch of linguistics which study the meaning and use of words. In English as in many other languages the word is the smallest unit able to form a sentence by itself. Most words consist of meaningful parts called morphemes, accordingly all Eng. Words fall into two large classes...
80739. The Etimology of English words 26.49 KB
  Etimology study the origin of words and word equivalents. Acc. to the origin all present-day Eng. Words can be divided into two groups: native words, which have been part of the Eng. Vocabulary since the old Eng. period; borrowed words (loan words) which were taken from another lang-ge at a certain stage of Eng. history.
80741. Title as the coding unit of text 27.42 KB
  Lets begin with the units used in titles. Usually these are nouns in the niminative position in singular or plural, combined with position or without it (Mother, Devils, War and Peace) But there may be verbs used in the imperative mood (Live with Lightning), in the firm of the infinitive (to let)...