50350

Терморезисторные измерительные преобразователи. Измерение температуры

Лабораторная работа

Физика

Цель работы Ознакомление с устройством и применением терморезисторных измерительных преобразователей термисторов изучение их функций преобразования измерение температуры при помощи термистора и знакомство с современными средствами сбора и обработки экспериментальных данных. Последние называются термисторами. Чувствительным элементом металлического термистора является тонкая медная или платиновая проволока. Функция преобразования зависимость сопротивления термистора Rt от его температуры ТК может быть выражена формулой 4.

Русский

2014-01-21

7.57 MB

38 чел.

Работа 4.1. Терморезисторные измерительные преобразователи. Измерение температуры

1. Цель работы

Ознакомление с устройством и применением терморезисторных измерительных преобразователей (термисторов), изучение их функций преобразования, измерение температуры при помощи термистора и знакомство с современными средствами  сбора и обработки экспериментальных данных.

2. Сведения, необходимые для выполнения работы

Повторите вопросы обработки и представления результатов прямых и косвенных

измерений и используя рекомендованную литературу [4,16-20], настоящее описание  и приложение 1 к практикуму ознакомьтесь  со следующими вопросами

  •  Основные характеристики измерительных преобразователей.
  •  Принцип действия, устройство и характеристики терморезисторных преобразователей.
  •  Методы измерения сопротивления.
  •  Причины возникновения и способы исключения или учета погрешностей при измерении сопротивления.
  •  Схемы включения и измерительные цепи терморезисторных преобразователей.
  •  Устройства и характеристики средств измерений, используемых при  выполнении данной работы.

Терморезистором называется параметрический измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры.

Терморезисторные преобразователи бывают металлические и полупроводниковые. Последние называются термисторами.

Чувствительным элементом металлического термистора является тонкая медная или платиновая проволока. Проволока бифилярно наматывается на каркас из изоляционного и теплостойкого материала. Чувствительный элемент помещается в металлическую защитную гильзу (трубку с запаянным концом). Для подключения  преобразователя к соответствующему вторичному прибору имеются специальные  зажимы.

Измерители температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления. Платиновые терморезисторы используются для измерения температуры в диапазоне от -200 °С до 650 °С, медные - в диапазоне от -50 °С до 180 °С. Функции преобразования медных и платиновых терморезисторов стандартизированы и задаются градировочной таблицей. Сопротивление терморезисторов при 0°С равно 10, 50 или 100 Ом, что отражается в обозначении терморезисторов, и именно: ТСМ10, ТСМ50 и ТСМ100. Медные терморезисторы дешевы и имеют почти линейную зависимость сопротивления Rt от температуры t, выражаемую формулой

 (4.1.1)

где  Ro - сопротивление преобразователя при 0°С, а- температурный коэффициент, равный

Термисторы представляют собой композиции различных окислов металлов, имеющих большое удельное сопротивление, которое сильно зависит от температуры. Композиция окислов запекаётся в виде бусинки, шарика или стержня, к ним привариваются выводные провода. Для предохранения от атмосферного влияния бусинки или стержни покрываются краской или помещаются в металлический корпус.

Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20 °С) от 1 до 200 кОм. В зависимости от типа они могут применятся для измерения температуры от -100 °С до 120-600 °С. Их чувствительность в 6-10 раз больше, чем у металлических терморезисторов. Функция преобразования - зависимость сопротивления термистора Rt от его температуры Т°К - может быть выражена формулой

(4.1.2)

Коэффициенты А и В- постоянные величины, зависящие от материала термистора и технологии его изготовления.

Термисторы имеют малые габариты, вес и теплоемкость, вследствие этого они могут использоваться для измерения температуры объектов, имеющих малые

размеры и малую теплоемкость. Малая теплоемкость обусловливает их малую инерционность.

Недостатком термисторов являются нелинейность функции преобразования и большой разброс параметров А и В. Поэтому приборы с термисторами приходится градуировать индивидуально.

Недостатком термисторов являются также изменение во времени (старение) и некоторая нестабильность электрических характеристик, однако после старения которое  обычно длится  2-4 месяца, дальнейшее  изменение сопротивления происходит  медленно и не превышает 0,2%  в год.

3. Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд представляет собой LabVIEW компьютерную модель, располагающуюся на рабочем столе персонального компьютера. На стенде (рис. 4.1.1) находятся модели водяного термостата, цифрового термометра и цифрового мультиметра.

Рис. 4. 1.1. Вид модели лабораторного стенда
на рабочем столе компьютера при выполнении лабораторной работы 4.1
(1- водяной термостат с установленными термистором и термопарой,
2 - цифровой термометр, 3 - цифровой мулыиметр,
4 - персональный компьютер)

Модели средств измерений (см. приложение 1) при выполнении работы используются для решения следующих задач.

Модель термостата служит для задания температурного режима, необходимого для исследования характеристик модели термистора.

Модель цифрового мультиметра обеспечивает измерение сопротивления термистора.

При помощи модели цифрового термометра, снабженного термоэлектрическим преобразователем, производится образцовое измерение температуры.

Модель персонального компьютера осуществляет сбор данных со средств измерений и запись их в файлы.

Схема соединения приборов при выполнении работы 4.1 приведена на рис. 4.1.2. В качестве персонального компьютера, изображенного на рисунке, используется компьютер, на котором выполняется работа.

Рис. 4.1.2. Схема соединения приборов при выполнении работы 4.1

В термостат помещены термоэлектрический преобразователь, являющийся измерительным преобразователем цифрового термометра, и термистор, характеристики которого экспериментально определяются в данной лабораторной работе. Сопротивление термистора измеряется цифровым мультиметром.

Цифровой мулыиметр измеряет постоянный и переменный ток и напряжение, сопротивление, частоту, период, емкость, температуру и может работать в режиме с автоматическим выбором диапазона измерения. Цифровая шкала - трех- или четырехразрядная по выбору. Поскольку в данной лабораторной работе исследуется функция преобразования термистора, модель мультиметра работает в режиме измерения сопротивления с автоматическим выбором диапазона.

Цифровой термометр и цифровой мулыиметр, модели, которых используются в данной работе, имеют встроенные стандартные компьютерные интерфейсы RS-232, что позволяет подключать эти приборы к компьютеру и автоматизировать процесс измерений. Поэтому экспериментальные данные, получаемые во время проведения измерений, автоматически собираются и записываются в файлы для последующей обработки.

4. Рабочее задание

4.1. Изучите описание работы и рекомендованную литературу. Продумайте свои

действия за компьютером.

4.2. Запустите программу лабораторного практикума и выберите лабораторную работу 4.1 “Терморезисторные измерительные преобразователи”. Измерение температуры» в группе работ “Измерение неэлектрических величин”. На рабочем столе компьютера автоматически появятся модель лабораторного стенда с моделями средств измерений и вспомогательных устройств (рис. 4.1.1) и окно созданного в среде MS Ехсеl лабораторного журнала, который служит для формирования отчета по результатам выполнения лабораторной работы.

4.3. Ознакомьтесь с расположением моделей отдельных средств измерений и других устройств на рабочем столе. Включите модели средств измерений и опробуйте их органы управления. Понаблюдайте за видом моделей.

4.4. Приготовьте к работе проверенный на отсутствие вирусов мобильный носитель информации и подключите его к компьютеру.

4.5. В соответствующих элементах интерфейса пользователя правильно задайте имена файлов, предназначенных  для записи данных при нагреве и остывания термостата. По умолчанию данные пишутся на жесткий диск компьютера при нагреве - в файл C:\ a+.txt, а при остывании – в файл C:\ a-.txt.  Оба файла имеют текстовый формат.

4.6. Приступите к выполнению работы.

Задание 1. Опытное определение функции преобразования термистора

а. Включите цифровой термометр и цифровой мультиметр, установив последний в режим измерения сопротивления.(Om)

b. Убедитесь, что имена файлов для записи данных введены правильно.

с. На водяном термостате установите в соответствии с указаниями преподавателя  максимальную температуру нагрева.

d. Включите термостат и наблюдайте за процессами его нагрева и остывания, При нагреве сопротивление термистора падает, а при остывании - растет. Дождитесь  окончания этих процессов. Все полученные данные измерений будут сохранены в файлах.

Задание 2. Обработка экспериментальных данных

Обработка экспериментальных данных, сохраненных в файлах, производится в лабораторном журнале средствами MS Ехсе1.

а. На листе Нагрев лабораторного журнала в ячейки столбцов Температура в  термостате t, град. С и Измеренное значение сопротивления термистора Rtэксп+, Ом (см. табл. 4.1.1) поместите данные двумерного массива, считанного из файла a+.txt.

(Рис *  - нагрев)

b.  Заполните следующие два столбца указанной таблицы, перейдя к температурной шкале Кельвина Т = t °С + 273 °С и найдя обратные значения 1/Т, постройте экспериментальную зависимость сопротивления термистора от обратного го значения температуры 1/Т при нагреве водяного термостата.

с.  Постройте на той же диаграмме зависимость вида линию тренда для полученной кривой пункта b, используя пункт меню Диаграмма/Добавить линию тренда(линия тренда в виде экспоненты).


d. Определите по полученным данным параметры функции преобразователя  А+ и В+ термистора.( Для этого среди параметров линии тренда выделите галочкой пункт Показывать  уравнение на диаграмме, тогда на диаграмме появится уравнение модели.(пользуемся выражением )

е. В соответствии с полученным уравнением модели заполните последний столбец таблицы Посчитанное по математической модели значение сопротивления термистора Rtm+,   Ом.

f. Постройте на другой диаграмме зависимости Rtэксп+ и Rtm+ от температуры

g. На листе Остывание лабораторного журнала в ячейки столбцов Температура в термостате t, град. С и Измеренное значение сопротивления термистора Rtm+, Ом  (см: табл. 4.1.2) поместите данные двухмерного массива считанного из файла а-.txt.

(Следует заметить, что опыт “остывание” требует выполнение следующих шагов: температура термостата выводится на 30 и тумблер”Нагрев” отключается вниз. (рис **) )

h.  Аналогично п. b заполните следующие два столбца таблицы и постройте экспериментальную зависимость сопротивления термистора от обратног значения температуры 1/Т при остывании водяного термостата, где

T=  - абсолютная температура.

Постройте  на той же диаграмме зависимость вида R= А_ • ехр(В_ • х), где 1 /Т, используя пункт меню Диаграмма/Добавить линию тренда. Считайте сохраненный  файл на отдельный лист MS Ехсе1 и изучите полученные данные.

                                              (Рис ** - остывание)

j. Определите по полученным данным параметры функции преобразования А_ и В_ термистора.

k.  Постройте на одной диаграмме зависимости Rtэксп+ и Rtm+ от температуры

t °С.

l. Определите максимальную и минимальную чувствительности термистора. m. Определите максимальную и минимальную относительные погрешности измерения температуры, полагая, что измерение сопротивления производится с погрешностью, лежащей в пределах ±0,10м.

n. Сформулируйте и запишите в отчет выводы о проделанной работе. 4.7. Сохраните результаты.

4.8. После сохранения результатов закройте приложение LabVIEW и, при необходимости, выключите компьютер.

Таблица 4.1.1. Исследование характеристики терморезистора при нагреве термостата

Температура в термостате t °С.

Измеренное значение сопротивления термистора  Rtэксп-, Ом

Температура в термостате t °К.

1/Т

Посчитанное по математической

модели значение сопротивления термистора Rtm-, Ом


Таблица
4.1.1. Исследование характеристики терморезистора при остывании термостата

Температура в термостате t °С.

Измеренное значение сопротивления термистора  Rtэксп+, Ом

Температура в термостате t °К.

1/Т

Посчитанное по математической

модели значение сопротивления термистора Rtm+, Ом


5. Оформление отчета

  •  Отчет  должен содержать:
  •  сведения о цели и порядке выполнения работы;
  •  сведения об использованных методах измерений;
  •  сведения о характеристиках использованных средств измерений;
  •  необходимые электрические схемы;
  •  данные расчетов, приводившихся при выборе средств и диапазонов измерений, при выполнении соответствующих пунктов задания;
  •  экспериментальные данные;
  •  полностью заполненные таблицы отчета (см. табл. 4.1.1 и табл. 4.1.2), и также примеры расчетов, выполнявшихся при заполнении  таблицы;
  •  графики и диаграммы;
  •  анализ полученных результатов и выводы об особенностях и качестве веденных измерений и в целом по результатам проделанной работы.

6. Контрольные вопросы

  •  Какие физические явления лежат в основе функционирования терморезисторов?
  •  Какие материалы используются при изготовлении терморезисторов?
  •  Какова конструкция металлического терморезистора?
  •  Как устроены полупроводниковые терморезисторы (термисторы)?
  •  Каковы функции преобразования металлического и полупроводникового терморезистора?
  •  Когда и для каких целей используется трехпроходная схема подключения терморезистора?
  •  Почему в случае применения полупроводникового терморезистора (термистора) нет необходимости использовать трехпроходную схему?
  •  Каковы достоинства и недостатки медного терморезистора?
  •  Каковы достоинства и недостатки термистора?
  •  В каких случаях необходимо использовать платиновые терморезисторы?
  •  Какие из терморезисторов отличаются высокой чувствительностью?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29024. Отдельные фундаменты мелкого заложения. Основные конструктивные решения и применяемые материалы 48 KB
  Отдельные фундаменты мелкого заложения. Отдельные фундаменты устраивают под колонны опоры балок ферм и других элементов промышленных и гражданских зданий и сооружений. Отдельные фундаменты представляют собой кирпичные каменные бетонные или железобетонные столбы с уширенной опорной частью. Отдельные фундаменты могут выполняться в монолитном и сборном варианте.
29025. Ленточные фундаменты под стены. Конструктивные решения и применяемые материалы. Условия применения прерывистых ленточных фундаментов 36.5 KB
  Ленточные фундаменты под стены. Ленточные фундаменты под стены устраивают либо монолитными либо из сборных блоков. Монолитные ленточные фундаменты изготовляют из природного камня бетона или железобетона. Монолитные ленточные фундаменты из природного камня и бетона проектируются как жёсткие.
29026. Ленточные фундаменты под колонны и их конструктивные решения 26 KB
  Ленточные фундаменты под колонны и их конструктивные решения. Ленточные фундаменты под колонны устраивают в виде одиночных под ряд колонн или перекрёстных под сетку колонн лент рис. Ленточные фундаменты под колонны предают большую жёсткость сооружению и способствуют выравниванию его осадки.
29027. Сплошные фундаменты. Основные конструктивные решения. Сопряжение колонн со сплошными фундаментами 31 KB
  Сплошные фундаменты. Сплошные фундаменты иногда называемые плитными устраивают под всем зданием в виде железобетонных плит под стены или сетку колонн рис. Сплошные фундаменты способствуют уменьшению неравномерности осадки сооружения. Сплошные фундаменты выполняются как правило из монолитного железобетона.
29028. Определение глубины заложения фундамента исходя из инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки 31.5 KB
  Этот выбор производится на основе предварительной оценки прочности и сжимаемости грунтов по геологическим разрезам. Покажем это на примере рассмотрев 3 наиболее характерные схемы напластований грунтов приведенные на рис. Площадка сложена одним или несколькими слоями прочных грунтов при этом строительные свойства каждого последующего слоя не хуже свойств предыдущего. В этом случае глубина заложения фундамента принимается минимальной допускаемой при учёте сезонного промерзания грунтов и конструктивных особенностей сооружения рис.
29029. Учёт глубины сезонного промерзания грунтов при выборе глубины заложения фундаментов зданий и сооружений 20.5 KB
  Учёт глубины сезонного промерзания грунтов при выборе глубины заложения фундаментов зданий и сооружений. Глубина заложения фундамента из условия промерзания грунтов назначается в зависимости от их вида состояния начальной влажности и уровня подземных вод в период промерзания. Как непучинистые рассматриваются также пески мелкие и пылеватые с любой влажностью а также супеси твёрдой консистенции если уровень подземных вод во время промерзания находится от спланированной отметки земли на глубине равной расчётной глубине промерзания плюс 2 м...
29030. Определение глубины заложения фундаментов с учётом конструктивных особенностей сооружения, включая глубину прокладки подземных коммуникаций, наличие и глубину заложения соседних фундаментов 31.5 KB
  Определение глубины заложения фундаментов с учётом конструктивных особенностей сооружения включая глубину прокладки подземных коммуникаций наличие и глубину заложения соседних фундаментов. Основными конструктивными особенностями возводимого сооружения влияющими на глубину заложения его фундамента являются: наличие и размеры подвальных помещений приямков или фундаментов под оборудование; глубина заложения фундаментов примыкающих сооружений; наличие и глубина прокладки подземных коммуникаций. В зданиях с подвалом или полуподвалом а также...
29031. Определение размеров подошвы центрально нагруженных фундаментов мелкого заложения 63.5 KB
  Реактивное давление грунта по подошве жёсткого центрально нагруженного фундамента принимается равномерно распределённым интенсивностью: 1 где NoII расчётная вертикальная нагрузка на уровне обреза фундамента; GfII и GgII расчётные значения веса фундамента и грунта на его уступах см.1; А площадь подошвы фундамента. Площадь подошвы фундамента при его расчёте по второму предельному состоянию по деформациям определяется из условия: pII ≤ R 2 где R расчётное сопротивление грунта основания. Поскольку обе части неравенства 2...
29032. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов мелкого заложения. Эпюры давлений под подошвой фундамента. Порядок расчёта 33 KB
  Эпюры давлений под подошвой фундамента. При расчёте давление по подошве внецентренно нагруженного фундамента принимают изменяющимся по линейному закону а его краевые значения при действии момента сил относительно одной из главных осей определяют как для случая внецентренного сжатия по формуле: 1 Подстановкой значений А=l·b W=b2l 6 и M=NII·e формула 1 приводится к виду 2 2 где NII суммарная вертикальная нагрузка на основание включая вес фундамента и грунта на его уступах; A площадь подошвы фундамента; е эксцентриситет...