STREDNÁ  PRIEMYSELNÁ  ŠKOLA  J.  MURGAŠA  BANSKÁ  BYSTRICA                          Elektrotechnické  laboratóriá

Odbor:

Dátum merania:

Trieda:

Dátum odovzdania:

Skupina:

Vyučujúci: doc.RNDr.Juraj Pančík, CSc.

Laboratórium:

Klasifikácia:

Známka:

Podpis:

Meno a priezvisko žiaka:

LABORATÓRNE  CVIČENIE  č. 31 Meranie teploty s termistorom typu NTC a snímačom TMP036

OBSAH:

1. Názov cvičenia a jednotlivých úloh.

2. Súpis prístrojov a pomôcok pri meraní.

3. Popis meracej metódy a schéma merania.

4. Tabuľky a grafy nameraných a vypočítaných hodnôt.

5. Vyhodnotenie merania.

1. NÁZOV CVIČENIA:

Meranie teploty s termistorom typu NTC a snímačom TMP036

Úlohy      a)

Oboznámte sa s hardvérovým a softvérovým riešenia meracieho prípravku

b)

Vykonajte merania teploty vody pri jej rôznych hodnotách

c)

Stanovte koeficienty pre Steinhart-Hart model prevodovej charakteristiky použitého NTC termistora

d)

Stanovte koeficienty pre BETA model prevodovej charakteristiky použitého NTC termistora

e)

Overte lineárnu charakteristiku snímača teploty TMP036

2.SÚPIS POUŽITÝCH PRÍSTROJOV

Prístroj – pomôcka

Typové označenie a rozsah

Výrobca

Inventárne číslo

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Nedostatky pri hodnotení (zapíše vedúci merania  učiteľ):

3. Popis meracej metódy a schéma merania

Termistor je polovodičový typ rezistora, ktorého odpor je silne závislý od teploty, a to viac ako v prípade štandardných rezistorov. Slovo termistor je zloženina zo slov  „termický“ a „rezistor“. Termistory sa delia na základe ich vodivostného modelu. Termistory so záporným teplotným koeficientom (NTC) majú pri vyšších teplotách menší odpor, zatiaľ čo termistory s kladným teplotným koeficientom (PTC) majú pri vyšších teplotách väčší odpor[1].NTC termistory sa široko používajú ako obmedzovače nábehového prúdu, snímače teploty, zatiaľ čo PTC termistory sa používajú ako samonastavovacie nadprúdové ochrany a samoregulačné vykurovacie prvky. Prevádzkový teplotný rozsah termistora závisí od typu sondy a zvyčajne sa pohybuje medzi -100 °C a 300 °C.

Steinhartova-Hartova rovnica

V praktických zariadeniach je lineárny aproximačný model presný len v obmedzenom rozsahu teplôt. V širších teplotných rozsahoch poskytuje komplexnejšia funkcia prenosu odporu na teplotu vernejšiu charakteristiku výkonu. Steinhartova-Hartova rovnica je široko používaná aproximácia tretieho rádu:

 

(1)

kde a, b a c sa nazývajú Steinhart-Hartove parametre a musia byť špecifikované pre každé zariadenie. T je absolútna teplota a R je odpor.

B alebo rovnica parametra β

NTC termistory možno charakterizovať aj pomocou rovnice parametra B (alebo β), čo je v podstate Steinhartova-Hartova rovnica s

  

(2)

kde merana teplota T a parameter B sú v kelvinoch a R0 je odpor termistora pri referencnej teplote T0 (25 °C = 298,15 K).

Meraci systém

Na obrázku dole kľúčová časť meracieho systému na báze odporového deliča , tvorená referenčným odporom R1 (ďalej aj R0 = 9800 Ohm, hodnota R1 v našom prípravku), NTC termistorom R2 s nominálnou teplotou 10kOhm. Hodnota napätia „Analog Read“ je digitalizovaná 10 bitovým ADC v ARDUINO UNO (digitalizačný krok = 5V/1023). Treba povedať že napájacie napätie pre odporový delič bolo pripájané len počas merania teploty (odporu termistora) – zabránilo sa tak jeho  samoohrevu  [4].

Platia nasledovné rovnice – R2 je hodnota odporu termistora, R1je spomínaný referenčný odpor  :

Vout = Vin*[R2/(R1+R2)] (3)

R2=(Vout*R1) / (Vin-Vout)  (4)

Program pre ARDUINO meral napätie Vout a vypočítaval teplotu z BETA modelu na základe odhadnutého parametra BETA (3950K). Program ďalej spracovával signál z ďalšieho snímača teploty TMP036 [11].

4. Tabuľky a grafy nameraných a vypočítaných hodnôt.

Merala sa rôzna teplota vody v 5 litrovej polystyrénovej nádobe s krytom (dodávateľ: www.suchylad.eu). Referenčné meradlo teploty bol kontaktný teplomer TP101 (https://techfun.sk/produkt/tp101-teplomer-hrotovy/) s presnosťou ±1°C a rozsahom teploty: -50°C~+300°C.  Program v ARDUINO [4]. zmerané a vypočítavané hodnoty  posielal na sériovú linku a tieto boli čítané terminálovým programom (napr. PUTTY). Namerané údaje sú uvedené v tabuľke 1. Odpor termistora (stĺpec: NTC odpor, vypoč. [Ω] ) sa vypočítaval z hodnoty zmeraného napätia v jednotkách ADU (stĺpec: Napätie NTC, výstup [ADU]). Tu výpočet počítal s teplotou referenčného odporu 10 KOhm – reálna hodnota tohto odporu bola 9800 Ohm.

ARDUINOM vypočítavaná hodnota teploty (stĺpec: NTC teplota vypoč.[°C]) bola na základe modelu BETA s odhadovanou hodnotou konštanty BETA 3950 K. ARDUINOM Vypočítavaná hodnota odporu termistora bola korigovaná (opravená) na reálnu hodnotu referenčného odporu R1  = 9800 Ohmov a je uvedená v tabuľke  č.2  (stĺpec: NTC odpor, vypoč. v EXCEL-i [Ω] pre R1=9800 Ω).

Následne sa vzali tri dvojice hodnôt odporu termistora (stĺpec: Teplota, ref. teplomer TP101[°C] ) a teplôt (stĺpec: Teplota, ref. teplomer TP101[°C]) z tabuľky 2  a vložili sa do webovej kalkulačky [10]. Výsledok je na obázku č.2 – vidieť vypočítané koeficienty pre oba modely závislosti priebehu odporu termistora na teplote. Získaná hodnota koeficientu BETA (3732,48 K) bola použitá pre výpočet teploty a j euvedená v tabuľke 2 (stĺpec: NTC teplota vypoč. V EXCEL-i [°C] pre meranim zistene BETA a pre R0=9800 Ω). 

Vypočítavaný odpor

Tabuľka 1 Vstupne hodnoty z MERANIE č.31 S PRÍPRAVKOM č.1

Meranie č.	Teplota, ref. teplomer TP101[°C]	Napätie NTC, výstup [ADU]	NTC odpor, vypoč. [Ω]	NTC teplota vypoč.[°C]	Snímač TMP036, výstup  [V]	Snímač TMP036, výpočet [°C]
1	6,5	722	23 980	6,53	0,54	4,2
2	7,4	695	21 189	9,01	0,56	6,15
3	21,8	552	11 750	21,47	0,69	19,34
4	29,3	482	8 909	27,62	0,78	27,64
5	68,6	184	2 193	63,56	1,15	64,75

Tabuľka 2 Dopocitane hodnoty MERANIE č.31 S PRÍPRAVKOM č.1

Meranie č.	Teplota, ref. teplomer TP101[°C]	Napätie NTC, výstup [ADU]	NTC odpor, vypoč. v ARDUINO [Ω]	NTC odpor, vypoč. v EXCEL-i [Ω] pre R1=9800 Ω	NTC teplota vypoč. V ARDUNO [°C] pre BETA= 3950 K	Vypocitany koeficient BETA [K]  (Obrazok 1)	Vypocitany koeficient R0 [Ohm]  (Obrazok 1)	NTC teplota vypoč. v EXCEL-i [°C]	Rozdiel medzi zmeranou teplotou TP101 a vypocitanou podla BETA modelu	Snímač TMP036, výstup  [V]	Snímač TMP036, výpočet [°C] v ARDUINO
1	6,5	722	23 980	23507	6,53	3861,34	9979,49	6,5	0,0	0,54	4,2
2	7,4	695	21 189	20765	9,01	3861,34	9979,49	9,0	-1,6	0,56	6,15
3	21,8	552	11 750	11485	21,47	3861,34	9979,49	21,8	0,0	0,69	19,34
4	29,3	482	8 909	8731	27,62	3861,34	9979,49	28,1	1,2	0,78	27,64
5	68,6	184	2 193	2149	63,56	3861,34	9979,49	65,1	3,5	1,15	64,75

Obrazok 1 Urcenie koeficientov pre Steinhart-Hart model a pre BETA model termistora z nameranych udajov v Tabulka 1

ZDROJE:	Thermistor Calculator	https://www.thinksrs.com/downloads/programs/Therm%20Calc/NTCCalibrator/NTCcalculator.htm
	Thermistor (wikipedia)	https://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor
	Thermistor Calibration for High Accuracy Measurements	https://dataloggerinc.com/resource-article/thermistor-calibration/

5. Vyhodnotenie merania.

Overili sme aproximačný model BETA pre NTC termistory. Porovnaním údajov o zmeranej teplote – refernčným teplomerom TP101 (Tabuľlka 2, stĺpec: Teplota, ref. teplomer TP101[°C]) a vypočítanou teplotou vody  na základe naším meraním získaného koeficientu BETA (Tabuľka 2, stĺpec: NTC teplota vypoč. V EXCEL-i [°C] pre meranim zistene BETA a pre R0=9800 Ω) môžeme vidieť, že chyba merania teploty je v rozsahu chyby TP101 ±1°C okrem vysokej teploty kde sa prejavila nelinearita snímača – nepoznáme jej hodnotu. Bolo by užitočné použiť kvalitnejší teplomer na meranie teploty vody. 

Chyba aproximácie Steinhartovej-Hartovej rovnice je vo všeobecnosti menšia ako 0,02 °C pri meraní teploty v rozsahu 200 °C (https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-06789/application-notes/5965-7822.pdf). Táto vysoká prenosť tejto S-H aproximácie umožňuje vyrábať veľlmi presné snímače teploty povrchu ľudského tela ako napríklad AS6221 Temperature Sensor, URL:   https://ams.com/as6221  (presnosť (Accuracy) ±0.09°C (20°C to 42°C)) 

Možné opravy a doplnenia programu pre ARDUINO

Domnievame sa, že do programu ARDUINO [4] (URL: https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/interfacing-Thermistor-with-arduino)  by sme mohli v jeho nasledujúcej verzii prepísať hodnotu referenčného odporu R1 z 10 000 Ohm na nami zmeraných 9800 Ohmov. Ďalej by sme mohli nahradiť v tomto programe odhadovanú hodnotu konštanty BETA namiesto 3950 K zmeranou hodnotou 3732.48.

Program by mal vysielať na sériovú linku aj hodnoty ADC v jednotkách ADU získané pri meraní napätia zo snímača TMP036 – doteraz vypisované hdnoty napätia sú príliš hrubé (len 2 platné číslice)

Program pre ARDUINO  by sa ďalej mohol doplniť výpočtom teploty podľa modelu S-H (URL: https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/arduino-thermistor-interfacing-code-circuit)  – mohli by sme tak získať presnejšie výsledky teploty.

Možné doplnenie meraní

Z dôvodu nedostatku času sme už kvantitatívne nevyhodnotili linearitu získaných hodnôt teploty snímača TMP036 (Tabuľka 2, stĺpce  Snímač TMP036, výstup  [V] ,  Snímač TMP036, výpočet [°C] v ARDUINO ).

Výpočet koeficientov pre BETA model a S-H model z troch meraní je dobre popísaný v zdroji  Thermistor Calibration for High Accuracy Measurements, URL:               https://dataloggerinc.com/resource-article/thermistor-calibration/. Presnejší výpočet kalibračných koeficientov je v zdroji Measure and Model a Thermistor, URL: https://www.instructables.com/Measure-and-Model-a-Thermistor/. Táto téma prekračuje ciele nášho cvičenia.

6. Informačné zdroje

1. Wikipedia: Thermistor [1]

2. Dodavatel termistoru: NTC senzor teploty termistorový modul KY-013 [2]

3. Informacie o module KY-013 ANALOG TEMPERATURE SENSOR MODULE [3]

4. Interfacing NTC Thermistor with Arduino [4]

5. Elektricke zapojenie meracieho pripravku [5]

6. Zdrojovy kod programu pre meraci priravok (platforma ARDUINO UNO)[6]

7. Popis postupu kalibracia termistora: Measure and Model a Thermistor [7], LOCAL [8]

8. Excel k bodu 7  s vypoctom koeficientov [9]

9. On line kalkulacka pre vypocet koeficientov [10]

10. Datasheet k TMP036 [11]  LOCAL: [12]

ZDROJE:

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor

[2]https://techfun.sk/produkt/ntc-senzor-teploty-termistorovy-modul-ky-013/

[3]https://arduinomodules.info/ky-013-analog-temperature-sensor-module/

[4]https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/interfacing-Thermistor-with-arduino

[5] …  \Predmet_ELM_cvicenia\1_NEVEL_Neranie_neelektrickych_velicin\WORK_1 Meranie teploty NTC a TM036\230822 MERACI PRIPRAVOK c.1 NTC Thermistor,TMP36  & LCD ver.A.pdf

[6] …  \Predmet_ELM_cvicenia\1_NEVEL_Neranie_neelektrickych_velicin\WORK_1 Meranie teploty NTC a TM036\sketch_230915_MER_1_NTC_Test.ino

[7] https://www.instructables.com/Measure-and-Model-a-Thermistor/

[8] …  \Predmet_ELM_cvicenia\1_NEVEL_Neranie_neelektrickych_velicin\WORK_1 Meranie teploty NTC a TM036\Measure-and-Model-a-Thermistor.pdf

[9] …  \Predmet_ELM_cvicenia\1_NEVEL_Neranie_neelektrickych_velicin\WORK_1 Meranie teploty NTC a TM036\Thermistor Modeling.xls

[10]https://thinksrs.com/downloads/programs/therm%20calc/ntccalibrator/ntccalculator.html

[11]URL https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/TMP35_36_37.pdf

[12]  …  \Predmet_ELM_cvicenia\1_NEVEL_Neranie_neelektrickych_velicin\WORK_1 Meranie teploty NTC a TM036\Datasheet TMP35_36_37.pdf