Sb97954

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Д. К. КОСТРИН

ЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2018

1

УДК 53.087.92

ББК З 965-044.3я7 К72

Кострин Д. К.

К72 Электронные датчики: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ

«ЛЭТИ», 2018. 36 с.

ISBN 978-5-7629-2468-9

Содержит рекомендации по выполнению лабораторных работ в рамках курса «Датчики в электронных устройствах», а также теоретические сведения, методики и примеры расчета электронных устройств.

Предназначено для подготовки магистров по направлению 11.04.04 – «Электроника и наноэлектроника» по программе «Электронные приборы и устройства».

УДК 53.087.92

ББК З 965-044.3я7

Рецензент канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, главный метролог ООО «НПО “Адвент”» А. М. Гурович.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

Введение

Врамках дисциплины «Датчики в электронных устройствах» студенты теоретически и экспериментально изучают свойства различных датчиков и схемы их сопряжения с разными электронными устройствами, предназначенными для измерений температуры и влажности, давления и расхода жидкостей и газов, контроля параметров технологических материалов и сред.

Врезультате изучения дисциплины студенты приобретают навыки разработки измерительных устройств для технологий электроники, начиная с первичного преобразователя физической величины и заканчивая получением кондиционированного сигнала, для последующего аналого-цифрового преобразования и дальнейшей обработки информации.

Цели и задачи дисциплины:

– знать основные задачи, решаемые конкретными электронными измерительными устройствами в технологиях различного назначения; физические принципы работы первичных преобразователей электронных средств контроля, их технические характеристики и эксплуатационные особенности;

– уметь выбрать необходимый датчик и создать оптимальное схемотехническое решение электронного средства контроля; обеспечивать возможность сопряжения электронного средства контроля со средствами вычислительной техники;

– владеть методиками калибровки современных электронных измерительных устройств; приемами настройки аналоговой части электронных измерительных устройств.

Вучебно-методическом пособии студентам предоставляется возможность рассчитать, собрать и настроить измерительные устройства с различными датчиками и разнообразными схемотехническими решениями.

Лабораторный курс по дисциплине «Датчики в электронных устройствах» является логическим продолжением работы, выполняемой студентами

врамках курсов «Аналоговая схемотехника», «Цифровая схемотехника» и «Микропроцессорная техника».

Подразумевается, что студент, приступающий к выполнению лабораторных работ, знаком с контрольно-измерительным оборудованием, общим подходом к сборке и исследованию электрических схем и требованиями к оформлению отчетов по лабораторным работам.

3

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕТРА СОПРОТИВЛЕНИЯ

С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ РЕЗИСТОРОМ

Цель работы: ознакомление с устройством, характеристикой и электрической схемой включения резистивного термопреобразователя.

1.1. Основные сведения о термометрах сопротивления

Хорошо воспроизводимая зависимость электрического сопротивления металлов от температуры позволяет создавать высокоточные резистивные датчики температуры. Сопротивление металлов в зависимости от температу-

где R0 – номинальное сопротивление (обычно при 0 °C); n – коэффициенты полинома; t – перепад измеряемой температуры относительно 0 °C.

В некоторой области температур для каждого металла оказывается возможным пренебречь без существенной потери точности всеми коэффициен-

где t – температурный коэффициент сопротивления, числовое значение которого для большинства металлов находится в пределах 0.0035…0.0065 °C–1.

Например, t Ni = 6.17·10–3 °C–1 (–200…+150 °C); t Cu = 4.27·10–3 °C–1 (–50…+200 °C); t Pt = 3.85·10–3 °C–1 (–200…+800 °C).

При проведении практических расчетов схем с резистивными датчиками температуры удобно пользоваться безразмерным коэффициентом W100, который показывает, во сколько раз должно измениться сопротивление резистора в результате его нагрева от 0 до 100 °C. Данный коэффициент получается подстановкой в (1.2) значения t для соответствующего металла и t = 100 °C.

В результате получим: W100 Ni = 1.617; W100 Cu = 1.427; W100 Pt = 1.385.

Все три металла находят применение в датчиках температуры. Платина наиболее стабильна во времени, не подвержена коррозии и позволяет работать в широком интервале температур. В настоящее время самыми распространенными являются платиновые пленочные измерительные резисторы. Пленку платины осаждают на керамическую подложку в вакууме, затем ее сопротив-

4

ление подгоняют с помощью лазера и наносят защитное покрытие из стеклоэмали. Наибольшую популярность в измерительной технике получил платиновый резистор с номинальным сопротивлением 100 Ом (тип Pt-100).

Термопреобразователи сопротивления на основе медной микропроволоки также широко применяются в промышленности благодаря их дешевизне. Они предназначены для измерения температуры твердых, жидких, сыпучих и газообразных веществ. Для защиты от механических воздействий и проникновения пыли и воды резистор помещается в герметизированный корпус из нержавеющей стали. Типичные значения номинального сопротивления медных термопреобразователей: 50, 100 и 500 Ом. Никелевые термопреобразователи используются реже всего из-за большей нелинейности по сравнению с медными и платиновыми измерителями.

Для того чтобы контролировать сопротивление резистора, через него пропускают ток неизменного значения и измеряют возникающее падение напряжения. Можно также приложить к резистору стабилизированное напряжение и измерить протекающий при этом ток. В обоих случаях в резисторе выделяется определенная мощность, вызывающая его перегрев по отношению к окружающей среде. Чтобы пренебречь саморазогревом, рабочий ток термопреобразователя, работающего на воздухе, устанавливают достаточно малым: для платиновых датчиков 0.5…2 мА, для медных – 2…5 мА. При этом перегрев датчика по отношению к окружающей температуре не превышает 0.5 °C.

Важным преимуществом термометров сопротивления по сравнению с широко используемыми термопарами является пропорциональность выходного сигнала термопреобразователя абсолютному значению температуры. Однако эти термометры нуждаются в предварительной калибровке.

1.2.Устройство и схема включения термопреобразователя

Влабораторной работе исследуется термопреобразователь сопротивления ТС-0295, модификация 50М (номинальное сопротивление 50 Ом), применяемый в производстве пищевых продуктов (рис. 1.1).

Преобразовательная часть расположена внутри тонкостенной защитной трубки из нержавеющей стали длиной L = 130 мм и содержит соленоид из тонкой медной проволоки. Соленоид намотан на медный стержень диаметром 1 мм, который одновременно выполняет функции каркаса для намотки проволоки и выравнивателя температуры вдоль термочувствительной части. Все по-

5

лости между защитной трубкой и термочувствительной частью залиты термостойким компаундом. Длина соединительного кабеля (Lк) может достигать нескольких метров. Постоянная времени нагрева датчика не превышает 10 с. Данный термопреобразователь может быть подключен к усилительному устройству по двухили трехпроводной схеме.

Защитная трубка

4

Рис. 1.1. Внешний вид и конструкция медного термопреобразователя сопротивления

Трехпроводная схема позволяет нейтрализовать влияние длины проводников на балансировку моста Уитстона, находящегося на удалении от термопреобразователя. Если термопреобразователь расположен вблизи измерительной схемы и при этом допускается погрешность измерений температуры порядка ±1.0 °C, то подключение датчика может быть выполнено без применения моста Уитстона по двухпроводной схеме (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Электрическая схема термометра сопротивления

В данной схеме рабочий ток датчика Rt задается резистором R3. Если источник питания –12 В стабилизирован, а резистор R3 велик по сравнению с Rt и имеет t много меньше, чем у меди, то изменения температуры не окажут

6

заметного влияния на ток, протекающий в цепи R3–Rt. Потенциометр R2 служит для подачи напряжения смещения на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) DA1. Данное смещение должно компенсировать сигнал, снимаемый с Rt при t = 0 °C. Если выбрать ток датчика 2 мА, то при

R0 = 50 Ом (t = 0 °C) падение напряжения на Rt составит 0.1 В. Для плавной регулировки смещения вблизи 0.1 В последовательно с R2 включен резистор R1, имеющий сопротивление в 10–20 раз больше, чем R2. Это позволяет снизить напряжение питания потенциометра R2 до уровня порядка 1 В.

Коэффициент усиления усилителя DA1 выбирается исходя из заданного диапазона измеряемой температуры и требуемого максимального выходного сигнала. Например, если необходимо измерять температуру от 0 до 100 °C, падение напряжения на медном измерительном резисторе при 100 °C увеличится в 1.427 раза по сравнению с рассчитанным ранее 0.1 В при 0 °C. Таким образом, сигнал на инвертирующем входе усилителя, соответствующий конечной точке шкалы измерений, будет равен 0.1·1.427 = 0.1427 В. С учетом смещения, установленного на неинвертирующем входе, входной дифференциальный сигнал для конечной точки шкалы измерений Uвх = 0.1427 – 0.1 = = 42.7 мВ. Если предположить, что максимальный выходной сигнал (Uвых) в конечной точке шкалы измерений должен быть 2.5 В, то необходимый коэффициент усиления составит

Kу Uвых Uвх 250042.7 58.55.

На основании полученного значения Kу можно выбрать необходимые значения резисторов R4 и R5. При выборе R4 следует иметь в виду, что изменение Rt под действием температуры может повлиять на значение Kу. Для того чтобы это влияние было минимальным, следует выполнить условие R4 >> Rt.

1.3.Порядок выполнения исследований

1.Электрическая схема исследуемого термопреобразователя уже смонтирована внутри лабораторного стенда, а используемые резисторы и иные элементы схемы закреплены в разъемах на верхней панели стенда. Запишите номиналы и тип всех установленных элементов и по (1.1), (1.2) рассчитайте основные параметры схемы термопреобразователя – ток через датчик,

7

Kу и Uвых, соответствующее 100 °C. Поскольку реальные сопротивления резисторов могут существенно (±5–10 %) отличаться от указанных на корпусе, возможно округление результатов расчета для упрощения проведения измерений.

2.Убедитесь, что элементы схемы надежно закреплены в разъемах, а переключатель SA1 находится в выключенном состоянии. Включите лабораторный стенд и убедитесь в работоспособности схемы, нагревая датчик пальцами. В случае отсутствия изменений сигнала позовите преподавателя.

3.Налейте холодную воду в сосуд и погрузите в него измерительную часть термопреобразователя. Используя спиртовой термометр, измерьте температуру воды. Регулируя смещение с помощью потенциометра R2, устано-

вите выходное напряжение схемы таким, каким оно должно быть на данной температуре при условии линейной шкалы преобразования 0…100 °C.

4.Залейте в сосуд кипящую воду и в процессе ее остывания снимите зависимость выходного напряжения схемы от температуры с шагом 2…5 °C.

5.Переключите SA1 во включенное состояние, таким образом подключив резистор R6 в схему. Рассчитайте новые значения тока через датчик и выход-

ного напряжения схемы при 100 °C. Повторите пп. 3–4 исследования.

1.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать расчет электрической схемы, оценку точности поддержания стабильного значения тока в датчике температуры с помощью балластного резистора, экспериментальные зависимости, вычисленные на основании проведенных исследований температурного коэффициента сопротивления термопреобразователя и выводы.

Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕТРА СОПРОТИВЛЕНИЯ

С NTC-ТЕРМИСТОРОМ

Цель работы: ознакомление с температурной характеристикой сопротивления NTC-термистора, методами ее линеаризации и схемами преобразовательной части электронных термометров на термисторах.

8

2.1. Основные сведения о термисторах

NTC-термистор (далее термистор) – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко снижается с ростом температуры, т. е. его температурный коэффициент сопротивления (ТКС) отрицателен.

Данные резисторы спекают из поликристаллических смесей различных оксидов, например Fe2O3, Zn2TiO2, MgCr2O4, TiO2, CoO, Li2O, при темпера-

туре 1000…1400 °C. В результате спекания с последующими серебрением контактных поверхностей и припайкой выводов удается получить изделия самой разной формы – от дисков с отверстиями и без отверстий до цилиндрической и каплеобразной форм.

Термисторы широкого назначения характеризуются монотонной зависимостью сопротивления от температуры. Эта зависимость хорошо изучена и описывается следующим эмпирическим выражением:

RT = R0 exp B(1/T – 1/T0) , (2.1)

где RT – сопротивление термистора при текущей температуре T, К; R0 – номинальное сопротивление термистора, указываемое в справочнике для температуры T0 = 298 К (25 °C); B – постоянная для выбранного типа термистора (значение B обычно лежит в пределах от 1000 до 6000 К).

По определению температурный коэффициент сопротивления любого резистора находится по формуле

Если подставить (2.1) в (2.2) и взять производную, то получим следующее выражение для ТКС термистора:

T BT 2.

Видно, что T не является константой, поэтому нахождение температуры по результату измерения RT требует соответствующего расчета с помощью (2.1). Это не является большим препятствием при использовании микропроцессорной техники.

Другое решение, упрощающее обработку результата измерений, состоит в линеаризации характеристики термистора. Предположим, что характеристика термистора RT = f(T) соответствует штриховой линии (рис. 2.1). Подсоединим параллельно RT резистор RL (линеаризующее сопротивление), значе-

9

ние которого практически не зависит от температуры (горизонтальная линия на рис. 2.1). Теперь имеется параллельное соединение двух резисторов, для которых результирующее сопротивление рассчитывается по формуле

R

RT

RL

RT

I = const

Rр

RL

URp

Рис. 2.1. Параллельная линеаризация характеристики термистора

Зависимость Rp от температуры показана на рис. 2.1 сплошной линией. На этой линии имеется небольшой отрезок, который может быть аппроксимирован прямой ( T const). Центр симметрии этого отрезка приходится на точку перегиба результирующей кривой Rp = f(T). Положение точки перегиба и соответствующей ей температуры Tm зависит от RL и RTm. Пользователь всегда

знает, около какой температуры следует добиваться наилучшей линейности, т. е. ему известно значение Tm. Тогда, зная тип термистора (значения R0, B) и рассчитав RTm, можно найти RL. Для этого необходимо приравнять нулю вто-

рую производную от (2.3) и решить полученное уравнение относительно RL:

ТКС для параллельного соединения резисторов RL и RT при температуре Tm будет следующим: