Universität GH Paderborn - Fachbereich Physik

Universität Paderborn – Fakultät für Naturwissenschaften - Physikalisches Praktikum
W6 Temperaturkennlinie eines PTC- Widerstandes
Aufgabe: Der elektrische Widerstand eines Temperatur-Messwiderstandes soll im Bereich von
T=0°C bis T=100°C aufgenommen werden. Die
Funktion Rθ = f(T) ist aufzufinden, die charakteristischen Konstanten dieser Funktion sind zu bestimmen.
Zur Vorbereitung: Eigenschaften und Funktionsweise von PTC-, NTC- Widerständen und Thermoelementen. Elektrische Stromleitung im Halbleiter
und Leiter (Bändermodell).
Fragen: Messung von Widerständen, Messung von
Temperaturen, Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit.
Versuchsbeschreibung: Die Kurve der Widerstandsänderung eines Messwiderstandes Rθ in Abhängigkeit von der Temperatur T wird automatisiert mit einem PC aufgenommen, während der
Widerstand in einem Wasserbad von T
T
C erhitzt wird. Die Temperatur T wird mit
einem Digitalthermometer gemessen, welches über
die serielle Schnittstelle mit dem PC verbunden ist.
Als Sensor verwendet das Thermometer ein Thermoelement (Ni-Cr-Ni) welches direkt neben dem
Widerstand R angebracht ist. Das Thermometer
wertet die von dem Thermoelement erzeugte
Thermospannung aus. Die entsprechende Temperatur wird in der Einheit °C an den PC weitergegeben
und dort protokolliert.
Rθ wird indirekt durch Vergleich zweier vom gleichen Strom Ik durchflossener Widerstände bestimmt. Rθ und ein weiterer Widerstand Rref =
(100 ± 0,003) Ω sind dazu in Reihe geschaltet. Die
Spannungen U und Uref, die aufgrund von Ik an Rθ
und Rref abfallen werden mit einer USB- Messeinheit gemessen. Aus der Beziehung U=R·I folgt die
Formel zur Bestimmung von R
Rθ =
Uθ
U
= Rref ⋅ θ
Ik
U ref
(1)
Versuchsdurchführung: Zunächst muss das Programm PTC aufgerufen werden (Verknüpfung auf
dem Desktop).
Setzen Sie dann in dem Gefäß welches auf der
Herdplatte erhitzt wird, eine Mischung aus Wasser
und Eis an. Achten Sie vor dem Start der Messung
darauf, dass das Eis restlos aus dem Behälter ent-
fernt wird. Die Temperatur des Wassers soll zu
Beginn im Bereich 0 - 5°C liegen.
Starten Sie dann die Messung über den STARTKnopf im Messprogramm und stellen Sie die Spannung für die Herdplatte über den Regler des Trenntransformators auf 120 V ein. Nach Erreichen des
Siedepunktes stoppen Sie die Messung mit dem
STOP- Knopf und regeln den Transformator auf
0 V zurück.
Speichern Sie die Messdaten in dem sich öffnenden
Dialog als Textdatei (z.B. PTC.txt) auf der Festplatte im Verzeichnis „C:\PTC\Messdaten“ ab.
Kopieren Sie dann die Datei auf einen von Ihnen
mitgebrachten Datenträger (z.B. USB-Stick).
Auswertung: Die Messdaten sollen mit dem Programm EXCEL in einem Diagramm dargestellt
werden. Im PC-Pool des Departments Physik stehen dazu PCs mit den entsprechenden Programmen
zur Verfügung.
Die Daten in der Textdatei sind durch Tabulatoren
getrennt. Die Daten repräsentieren von links nach
rechts die Zeit, die Spannung Uref, die Temperatur
und die Spannung U . Der funktionale Zusammenhang
Rθ(T) = R0 (1+α ∆T)
(2)
ist in dem Diagramm darzustellen. Ermitteln Sie
die charakteristischen Konstanten von (2) (R0 für
T=0°C und α als Materialkonstante) durch lineare
Regression (Berechnung einer Ausgleichsgeraden).
Das Auflösungsvermögen der Messkarte beträgt 12
Bit, d.h., dass über den eingestellten Messbereich
die Spannungsmessung in 212 = 4096 äquidistante
Stufen eingeteilt wird. Beachten Sie diesen Umstand bei der Fehlerbetrachtung. Der Messbereich
für die Spannung am Messwiderstand ist von -2,5
V bis +2,5 V, der des Referenzwiderstandes -1,25
V bis +1,25 V.
Stellen Sie zusätzlich die Funktion R = f(t) in einem separaten Diagramm dar und diskutieren Sie
den Verlauf qualitativ.
Literatur: [Ti], [St], [GK] DIN 47760
Version 04/2007