Введение. Казанский государственный технический

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Казанский государственный технический

Университет им. А.Н.Туполева

Филиал " Восток"

ДАТЧИКИ И ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Казань 2003

УДК 621.586.37 Авторы-составители: Н.Х.Каримов

ББК 32.96.-04 С.Н.Ротберт

А.М.Бельский

Е.Г.Павлов

Датчики и элементы автоматики. Лабораторный практикум: Учебно-методическое пособие. / Сост. Н.Х.Каримов, С.Н. Ротберт, А.М.Бельский, Е.Г.Павлов. / Казань: Изд-во Экоцентр, 2003. - с..

Лабораторный практикум предназначен для проведения лабораторных работ по дисциплине «Датчики и элементы автоматики» для направления подготовки дипломированного специалиста 653700 по специальности 190100 - " Приборостроение". Данное пособие может быть полезным для студентов всех инженерных специальностей, в том числе и электротехнического профиля.

Табл.4 Ил.37 Библиогр.15

Рецензент: доктор физико-математических наук А.Г.Володин (Казанский государственный энергетический университет).

Рекомендовано к изданию УМК филиала «Восток»

КГТУ им. А. Н. Туполева

© Издательство «Экоцентр», 2003.

Введение.

Данное руководство ставит целью способствовать развитию практических навыков экспериментального исследования характеристик различных типов датчиков, умению работать с технической литературой, а также со схемами и контрольно-измерительной аппаратурой.

Предусматривается, что студенты предварительно прослушают соответствующие разделы лекционного курса и ознакомятся с рекомендованной литературой.

Руководство будет способствовать более углубленному изучению студентами материалов, изучающихся в курсе «Датчики и элементы автоматики».

Лабораторная работа № 1.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

Цель работы: Исследование основных параметров и характеристик полупроводниковых терморезисторов (ПTP).

ПТР - это объемные полупроводниковые резисторы с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Материалом ПТР служат окислы и смеси окислов различных металлов. Так, терморезисторы МMT и СТ2 изготавливаются из медно-марганцевых, KMT и CTI - из кобальто-марганцевых, а СТЗ - из медно-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников.

Основные параметры и характеристики ПТР.

Температурная характеристика – зависимость сопротивления ПТР от температуры; в рабочем диапазоне температур эта зависимость определяется соотношением:

R_T=A∙ e^В/Т, (1.1)

где R_T – сопротивление ПТР при температуре Т К;

А и В – коэффициенты, постоянные для данного экземпляра ПТР (А – величина, зависящая от материала и геометрических размеров ПТР; В – постоянная, характеризующая физические свойства материала, его температурную чувствительность).

Чтобы задать температурную характеристику, достаточно знать координаты двух ее точек (R₀, T₀) и (R₁, Т₁).

Тогда из выражения (1.1), записанного для двух значений температур, имеем:

R_T = (1.2)

Пользуясь формулой (1.2), можно рассчитать величину сопротивления ПТР при любой температуре, если известны значения постоянной В и сопротивления ПТР при температуре Т₀. Логарифмируя выражение (1.2), получим значение постоянной В:

(1.3)

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) - это зависимость между протекающим через резистор током и падением напряжения на нём при установившемся режиме нагрева (рис.1.1). ВАХ терморезистора не линейна, что обусловлено разогревом рабочего тела протекающим по нему током. Уравнение ВАХ может быть представлено в параметрическом виде (параметром является Т), для чего составим уравнение теплового баланса:

Рис.1.1 Пример вольт-амперной характеристики.

(1.4)

откуда

(1.5)

(1.6)

где b – коэффициент рассеяния, учитывающий все виды распространения тепла от рабочего тела (теплопроводность, конвекцию, излучение).

Считая, что b = const, продифференцируем уравнение (1.6) по Т. Приравнивая к нулю первую производную, получим:

(1.7)

Температура резистора в точке максимума вольтамперной характеристики равна:

(1.8)

Температура, а следовательно и сопротивление в точке максимума ВАХ зависят от температуры окружающей среды и не зависит от коэффициента рассеяния. Из выражений (1.5) и (1.6) следует, что ВАХ зависят от температуры среды Т₀ и коэффициента рассеяния b. (рис. 1.2, 1.3).

рис.1.2. ВАХ терморезистора при различных окружающих средах.	рис.1.3. Семейство ВАХ терморе- зистора при различных значениях температуры окружающей среды

В каждой точке статической ВАХ различают статическое и дифференциальное сопротивление

и .

Статическое сопротивление пропорционально тангенсу угла α, образованного секущей, проведённой из начала координат в рассматриваемую точку ВАХ, и осью токов. Дифференциальное сопротивление пропорционально тангенсу угла β, образованного касательной в рассматриваемой точке характеристики с осью токов (см. рис. 1.1.).

Коэффициент рассеяния b – представляет собой мощность, рассеиваемую терморезистором, при разности температур ПТР и окружающей среды в один градус.

Величина коэффициента рассеяния зависит от материала и размеров ПТР, от характера среды и её состояния: скорости движения, влажности, давления и т.д. Для нахождения коэффициента рассеяния необходимо:

1) выбрать на ВАХ ряд точек в подсчитать для них по значениям тока и напряжения мощность, выделяемую в ПТР, и его сопротивление;

2) с помощью температурной характеристики по подсчитанным выше сопротивлениям найти значения температуры, соответствующие каждой точке;

3) вычислить разность температур рабочего тела ПТР и окружающей среды для каждой точки;

4) вычислить коэффициент рассеяния из уравнения энергетического баланса

мВт/град. (1.9)

Температурный коэффициент сопротивления α _Т – относительное изменение сопротивления ПТР при изменении температуры на один градус

град. (1.10)

Тепловая инерционность терморезисторов характеризуется постоянной времени τ. Она равна времени, в течение которого температура ПТР при его свободном охлаждении понижается на 63% от первоначальной разности температур ПТР и окружающей среды (рис.1.4). Величина τ лежит в широких пределах - от десятых долей до десятков секунд.

Определение постоянной времени достаточно больших ПТР производится следующим образом. ПТР разогревается до определенной температуры Т₁ в термостате. Вычитая из этой температуры, температуру среды Т₀, находят начальное значение перегрева θ _нач. 0стаётся определить значение сопротивления, которое будет иметь ПТР после уменьшения температуры перегрева на 63%, т.е. в тот момент, когда температура рабочего тела примет значение (Т₀ + 0, 37θ _нач). Соответствующее значение сопротивления находят по температурной характеристике. На эту величину настраивают измерительный мост. Затем, разогретый ПТР быстро переносится в среду с температурой Т₀. При этом замеряется время τ с момента переноса ПТР до достижения им температуры (Т₀ + 0, 37θ _нач). Фиксируемой по измерительному мосту.

При высоких температурах в полупроводниковом материале терморезистора могут происходить необратимые структурные изменения, в результате которых изменяются его параметры. Наибольшую, температуру, при которой ПТР сохраняет стабильность параметров при длительной эксплуатации, называют предельно допустимой Т_доп.

Соответствующая этой температуре мощность рассеяния называется максимально допустимой мощностью рассеяния Р_макс..

Рис.1.4. Определение постоянной времени

Методика снятия ВАХ ПТР.

Снятие ВАХ имеет особенности, обусловленные инерционностью ПТР и наличием отрицательного участка на его ВАХ. Схема для снятия ВАХ изображена на рис.1.5, а. Существует два метода снятия этих характеристик. Первый метод основан на использовании постоянного добавочного сопротивления и источника регулируемого напряжения U. Изменяя напряжение U, можно снять всю ВАХ (рис.1.5, б). При этом величина добавочного сопротивления R должна быть больше максимального отрицательного дифференциального сопротивления ПТР. В противном случае характеристику полностью снять не удаётся. Второй метод снятия ВАХ ПТР основан на изменении величины добавочного сопротивления R. Напряжение U при этом постоянно (рис.1.5, в).

Вследствие тепловой инерционности ПТР измерения при снятии ВАХ должны проводиться после некоторой выдержки, чтоб установилось тепловое равновесие между ПТР и окружающей средой. При снятии ВАХ необходимо поддерживать постоянными температуру окружающей среды и условия теплоотдачи ПТР.

Рис. 1.5. Снятие ВАХ терморезистора.

При выполнении лабораторной работы необходимо использовать: универсальный источник питания (УИП); вольтметр; миллиамперметр; полупроводниковые терморезисторы; добавочное сопротивление; термостат; измерительный мост; секундомер; термометр; монтажная плата с проводниками.

Задание.

1. Построить температурную характеристику ПТР по двум значениям сопротивлений, замеренным с помощью измерительного моста при определенных температурах (по заданию преподавателя).

2. Вычислить температурный коэффициент ПТР по данным п.1 для Т₀.

3. Собрать измерительную схему для снятия ВАХ ПТР.

Внимание! Без добавочного сопротивления схему не включать!

4. Снять ВАХ терморезисторов при заданной температуре.

5. Рассчитать коэффициент рассеяния b.

6. Построить (по заданию преподавателя) семейство ВАХ одного типа ПТР при различных температурах.

7. Построить зависимость статического, и дифференциального сопротивления ПТР от тока при определённой температуре окружающей среды по данным п.6.

8. Экспериментально определить значение постоянной времени τ.

Для удобства вычисления полученные результаты по приведенной форме заносятся в таблицу.

№ n/n	U, B	I, мА	P, мВт	R, кОм	T, К	T-T0	b,	кОм	мА

Вопросы для подготовки к работе.

1. Основные параметры ПТР.

2. Основные характеристики ПТР.

3. Влияние изменения Т₀ на деформацию ВАХ.

4. Влияние изменения b на деформацию ВАХ.

5. Как подсчитать коэффициент рассеяния?

6. Как определять α _Т графически?

7. Определение постоянной времени τ.

8. Особенности снятия ВАХ.

9. Как построить семейство ВАХ терморезистора?

Лабораторная работа №2.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕПЯХ