Sb97954
.pdfМИНОБРНАУКИ 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
ISBN 978-5-7629-2468-9 |
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018 |
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-
ры t выражается следующим полиномом: |
|
|
|
|
|
||||
R |
= R (1 + |
1 |
t + |
t2 + |
3 |
t3 + … + |
n |
tn), |
(1.1) |
t |
0 |
2 |
|
|
|
|
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-
тами полинома, кроме первого. В этом случае (1.1) упрощается: |
|
Rt = R0(1 + t t), |
(1.2) |
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
L |
45 |
Lк |
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).
|
|
–12 B |
|
|
|
SA1 |
|
R5 |
|
|
|
|
|
|
|
R3 |
|
|
|
R1 |
R6 |
|
|
|
|
|
+12 B |
|
|
|
|
R4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
|
R2 |
Rt |
+ |
DA1 |
Uвых |
|
|
|||
|
|
|
–12 B |
|
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
|
T |
|
1 |
|
dRT |
|
(2.2) |
|
|
||||||
|
|
RT |
|
dT |
|
||
|
|
|
|
|
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
Rр |
RT RL |
. |
(2.3) |
|
RT RL |
||||
R |
|
|
||
|
|
|
R
RT
RL
RT
I = const
Rр
RL
URp
Tm |
T |
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:
R |
R |
B 2Tm |
. |
(2.4) |
|
||||
L |
Tm B 2T |
|
||
|
|
m |
|
ТКС для параллельного соединения резисторов RL и RT при температуре Tm будет следующим:
|
|
B T 2 |
|
|
|
T |
|
m |
|
. |
(2.5) |
1 RT |
|
||||
m |
|
RL |
|
||
|
|
|
|||
|
|
m |
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|