13

Пристрої зв’язку з об’єктом_2011 Лабораторна робота №1

Лабораторна робота № 1 зчитування аналогового сигналу з сенсора температури

Мета: вивчити принципи роботи сенсорів температури, аналогово-цифрового перетворення сигналів, навчитися вимірювати температуру об’єкту за допомогою сенсорів.

Завдання: зібрати вимірювальну систему згідно зі схемою, провести вимірювання температури за допомогою термосенсора в режимах нагрівання та охолодження, визначити статичні та динамічні параметри сенсора.

Обладнання: пристрій (адаптер) аналогово-цифрового перетворення сигналів „LPT_Sensor_10h”, блок живлення, вольтметр, персональний комп’ютер.

Програмне забезпечення: програма „LPT_Sensor_10s”, середо­вище програмування Delphi.

1. Теоретичні відомості

У даній лабораторній роботі за допомогою пристрою (адаптеру) „LPT_Sensor_10h” (hardware), що містить аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), виконується зчитування аналогової напруги, перетворення її у двійковий код і запис отриманого двійкового коду в комп’ютер через порт принтера. Керування АЦП виконується програмою „LPT_Sensor_10s” (software). Вхідна аналогова напруга формується термо­сенсором. Тому в теоретичній частині описано основні види сенсорів температури і принципи аналогово-цифрового перетворення сигналів. Будову та принцип дії пристрою „LPT_Sensor_10h” описано в додатку А, а програма „LPT_Sensor_10s” описана в додатку Б.

1.1. Сенсори температури

При вимірюванні температури є два способи взаємодії сенсора з об’єктом [1]:

1. Тепло від об’єкта передається сенсору через середовище шляхом теплопровідності або конвекції (термометрична взаємодія).

2. Тепло передається через випромінювання (радіаційна пірометрія).

Розрізняють чотири типи сенсорів температури (табл. 1.1):

1. термоелементи (термопари);

2. резистивні детектори температури (РДТ) або терморезистори;

3. термістори;

4. напівпровідникові сенсори температури.

Таблиця 1.1

Типи сенсорів температури

Термопари	РДТ	Термістори	Напівпровідникові сенсори
Діапазон темпе­ратур від -184˚С до 2300˚С	Діапазон: -200˚С ... 850˚С	Діапазон: -50˚С ... 300˚С	Діапазон: -50˚С ... 150˚С
Висока точність і повторюваність	Висока лінійність	Низька лінійність	Лінійність: 1˚С Точність: 1˚С
Необхідність компен­сації холодного спаю	Потрібне зовнішнє живлення	Потрібне зовнішнє живлення	Потрібне зовнішнє живлення
Низька вихідна напруга	Низька вартість	Висока чутливість	Вихідний сигнал близько 10 мВ/˚С

Термопара – це два провідника (термоелектрода), виготовлені з різних металів і сплавів, спаяні (зварені) в одній точці. Чутливість термопар до температури заснована на термоелектричному ефекті (ефекті Сібека/ Seebeck), при якому використовується з’єднання двох матеріалів (металів і сплавів, наприклад міді і мідно-нікелевого сплавів, заліза і мідно-нікелевого сплавів чи платини і платинородійного сплавів).

Резистивні детектори температури (терморезистори) використовують зміну опору провідників при зміні температури (при підвищенні температури опір збільшується). Для точного виміру температури в діапазоні від -200°С до +850°С звичайно використовують сенсори температури з нікелю чи платини. Електричний опір металевих провідників змінюється згідно формули:

, (1.1)

де R₀ – опір при 0 °С (тобто при 273 °К), R₁ – опір при температурі T₁,

α – температурний коефіцієнт опору (наприклад, для платини

α=0.004 °C^-1).

Термістор – це напівпровідниковий резистивний прилад, опір якого залежить від температури. Опір термістора при збільшенні температури зменшується. Матеріалами для термісторів служать суміші сульфідів і селенідів. Опір термістора нелінійно залежить від температури

, (1.2)

де Т – температура в градусах Кельвіна, β – постійна.

В якості напівпровідникових термосенсорів часто використо­вують стабілітрони з нормованим температурним коефіцієнтом напруги [2]. До таких сенсорів відноситься температурний чутливий елемент LM335M, а схема його ввімкнення відповідає типовій схемі ввімкнення стабілітрона (рис. 1.1). Напруга живлення на термосенсор подається через резистор. Температурний коефіцієнт напруги сенсора або коефіцієнт перетворення [3, C.95-96] k_T =10 мВ/ºК, тобто зміна температури сенсора на 1ºК приводить до зміни напруги на 10 мВ. Допустимий температурний діапазон від -40ºС до 100ºС. При цьому нульова вихідна напруга відповідає температурі абсолютного нуля 0ºК (-273ºС), а температурі 100ºС (373ºК) відповідає напруга 3,73 В. Тобто напруга на термосенсорі:

, (1.3)

де Т – абсолютна температура, К. Дана формула описує функцію перетворення сенсора, тобто залежність між вихідною Y та вхідною X величинами: Y = F(X).

Рис. 1.1. Схема ввімкнення температурного чутливого елементу LM335M