Luentokalvot lämpötilasäätimistä Elektroniset mittaukset-kurssiin

Transkriptio

1 TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto MIKES TKK Mittaustekniikka Luentokalvot lämpötilasäätimistä Elektroniset mittaukset-kurssiin DI Mikko Puranen Mittaustekniikan erikoistyö kurssiin S Erikoistyö. Opintopisteet (ECTS): Arvosana (1 5): Ohjaajan allekirjoitus: Dos. Petri Kärhä

2 Lämpötilan säätö S Elektroniset mittaukset Mikko Puranen Luennon sisältö 1. Termodynaaminen malli 2. Jäähdytyksen suunnittelu 3. Peltier-elementit 4. Lämpötilasäätäjät PID-säädin

3 Termodynaaminen malli Kappaleen jäähdyttäminen ympäristöä kylmemmäksi Huoneilma lämmittää kappaletta, kappaleesta lämpö siirtyy peltierelementin kautta jäähdytysripaan Lämmön siirtymiseen vaikuttaa kappaleiden lämpökapasiteetti sekä rajapintojen lämpöresistanssi Termodynaaminen malli Vihreän kappaleen lämpökapasiteetti:

4 Termodynaaminen malli H on lämpövirta, [H]=W A on pinta-ala, e on emissiivisyys,! on Stefan-Boltzmannin vakio, T on kappaleen lämpötila ja Ts on ympäristön lämpötila Jäähdytyksen suunnittelu 1. Selvitä jäähdytettävän kappaleen tavoitelämpötila sekä ympäristön lämpötila 2. Laske lämpövirta ympäristöstä kappaleeseen 3. Valitse peltier-elementti, jossa jäähdytysteho on vähintään lämpövirran suuruinen 4. Valitse peltier-elementin kuumalle puolelle sopiva jäähdytyselementti 5. Koska rajapintojen lämpöresistanssi on tuntematon, varaa niille hieman marginaalia

5 Jäähdytyksen suunnittelu Jäähdytysrivan valinta 1. Lämpövirta, ympäristön lämpötila ja peltier-elementin kuuman puolen maksimilämpötila ovat tiedossa 2. Lasketaan lämpötilaeron ja lämpövirran perusteella, kuinka tehokas jäähdytysripa tarvitaan (lämpötilaero x astetta, lämpövirta y wattia " jäähdytysteho x/y K/W) 3. Jäähdytysripojen jäähdytystehon yksikkö on K/W tai x CFM (cubic feet per minute), jolloin speksiin pääsemiseksi tarvitaan myös tuuletin Jäähdytyksen suunnittelu Peltierin tehonsyöttö 1. Peltier-elementin valinnan jälkeen pitää varmistaa virtalähteen riittävyys 2. Mitoita päätetransistorit siten, että niiden virrankesto on riittävä 3. Käytä (päätetransistoreille) niin pientä käyttöjännitettä kuin mahdollista transistorien tehohäviön minimoimiseksi 4. Varmista transistoreiden jäähdytyksen riittävyys

6 Peltier-elementti Seebeck-ilmiö: Ilmiön havaitsi ensimmäistä kertaa saksalainen fyysikko Thomas Johann Seebeck v Jos metallitangossa oli lämpötilagradientti, tangon päistä oli mitattavissa jännite Peltier-elementti Peltier-ilmiö: Jean Peltier v Kaksi eri metallia tai puolijohdetta (n ja p) kytketään toisiinsa kahdella liitoksella. Liitosten läpi syötetty virta aiheuttaa lämmön siirtymisen liitoksesta toiseen. Toinen liitos jäähtyy ja toinen kuumenee.

7 Peltier-elementti Eri kokoisia ja muotoisia Usein myös integroitu käyttökohteeseen, esim. lasermodulit Kuluttavat paljon virtaa Yhdellä elementillä saavutettava lämpötilaero on tyypillisesti C Elementtejä voidaan kasata myös useita päällekkäin

8 Peltier-elementtien speksejä (Supercool Inc.) Max virta Jännite Jäähdytysteho Max lämpötilaero Koko 6 A 0,9 V 3,3 W 74 C 10x10 mm! 1,3 A 15,7 V 12,6 W 75 C 25x25 mm! 13,1 A 8,8 V 71,9 W 74 C 47x47 mm! 13,1 A 15,7 V 128,7 W 74 C 62x62 mm! PID-säädin (Proportional, Integral, Derivative) Erittäin yleinen erilaisten parametrien säätöön käytetty menetelmä Teollisuusprosessit Lämpötilan säätö Kaikkia säätöjä ei välttämättä tarvita, myös PI- ja PDsäätimiä käytetään

9 PID-säädin Proportional-säätö P: virhe kerrotaan kertoimella P, ja tulos siirretään säätimen lähtöön Lämpötilan säädössä P-säädöllä asetetaan se lämpötilaero (virhe tavoitelämmöstä), jolla peltier-elementille ohjataan täysi teho Esimerkki: Lämmittimen asetusarvo on 20 C ja P-säädön kaista 10 C Mitattu lämpötila Virhe Säätimen lähtöteho 10 C (20-10) C = 10 C (10/10)*100% = 100 % 15 C (20-15) C = 5 C (5/10)*100% = 50 % 19 C (20-19) C = 1 C (1/10)*100% = 10 % PID-säädin Integral-säätö I: virhettä integroidaan, kerrotaan tulos kertoimella I ja lisätään tulos edelliseen I-säätö poistaa pienet, staattiset virheet joihin P-säätö ei tehoa Esimerkki: Tynnyristä poistuu vettä vakionopeudella ja tynnyriin virtaavan veden määrää voidaan säätää. Pelkällä P-säädöllä tasoa ei saada halutuksi, koska se muuttuu koko ajan. I-säätö korjaa tämän.

10 PID-säädin Derivative-säätö D: virhettä derivoidaan, kerrotaan tulos kertoimella D ja lisätään tulos edellisiin D-säätö määrää, kuinka nopeasti säädin vastaa säädettävän suureen muutoksiin D:n arvoa pienentämällä voidaan vähentää värähtelyä ja estää reagointi lyhytaikaisiin häiriöihin PID-säädin Yleinen siirtofunktio C on vakio, tyypillisesti 0,01 tai 0,001

11 PID-säätimen viritys Helppo manuaalinen tapa: Aseta I ja D nollaan Kasvata P:tä kunnes systeemi värähtelee Kasvata I:tä kunnes värähtely loppuu Kasvata D:tä kunnes vasteaika on tarpeeksi nopea PID-säätimen viritys Myös matemaattisia malleja, esim. Ziegler-Nicholsin menetelmä Vaatii säätöarvojen tuntemista, hankalaa esim. säädön ollessa toteutettu potentiometrillä Teollisuudessa säätö hoidetaan usein matemaattisten mallien avulla tietokoneella Prosessin vasteaika voi olla minuutteja, jolloin manuaalinen säätö kestäisi päiviä

12 Sähköinen PID-säädin P-osa Operaatiovahvistin, jossa vahvistus on säädettävä R 5 on bias-virran vaikutuksen poistava vastus, R5=R3 R17 Sähköinen PID-säädin I-osa Säädettävä integraattorikytkentä

13 Sähköinen PID-säädin D-säätö Derivoiva operaatiovahvistin säädettävällä vahvistuksella Derivoivaa kytkentää on tässä hidastettu nopeahkolla RC-piirillä (R9-C3), jonka aikavakio on 82 µs Lämpötilan mittaus Termistori kytketään Wheatstone-siltaan Tavoitelämpötila säädetään potentiometrillä Käytetään tarkkaa jännitereferenssipiiriä Jännite-ero mitataan differentiaalivahvistimella

14 Peltier-elementin ohjaus Operaatiovahvistin seuraa virhejännitettä ja ohjaa sen mukaan tehotransistoreita Tässä käytetty darlington-transistoreita

15 Kaupallinen laite Thorlabs TED 350 Max virta ±5 A IEEE väylä Hinta 1800 " Säätöalue C Tarkkuus 0,002 C

16 Elektroniset Mittaukset Kotitenttitehtävä 4 Mikko Puranen MP

17 Tehtävä 4 Suunnittele lämpötilasäädin, joka pitää kuparikappaleen ( mm 3 ) -50 C lämpötilassa, kun ympäristön lämpötila vaihtelee C välillä. Laske tarvittava jäähdytysteho ja etsi sopiva peltier-elementti ja jäähdytysripa. Laske jäähdytykseen tarvittava maksimivirta ja etsi sopiva kaupallinen (pöytämallinen) elektroniikka peltier-elementin ohjaukseen. Tarkkuus tulee olla vähintään 0,1 C. MP

18 Lasketaan lämpövirta ympäristöstä kappaleeseen H net = Aeσ(T 4 T s 4 ) H net on lämpövirta, e on kuparin emissiivisyys ja σ on Stefan-Boltzmannin vakio. T on jäähdytettävän kappaleen (tavoite)lämpötila ja T s on ympäristön lämpötila. MP

19 Lämpövirta... H net = Aeσ(T 4 T 4 s ) A = (0,03 0,03) + 4 (0,01 0,03) m 2 = 0,0021 m 2 σ = 5, W m 2 K4, e 0,3, T = 223 K ja T s = 303 K. Sijoitetaan, ja saadaan tulos H 0,21 W MP

20 Kuparikappaleen lämpökapasiteetti Tavoitelämpötilan saavuttamiseen kuluva aika riippuu kappaleen lämpökapasiteetista Q ja jäähdytystehosta P. Q = mc T t = Q P H MP

21 Peltierin valinta Vaatimukset: Jäähdytysteho vähintään 3 W Koko korkeintaan mm 2 Lämpötilaero vähintään 80 C MP

22 Valittu elementti Sopiva elementti on esim. Melcorin 3 CCP : H max = 6,48 W kolmikerroksinen, T max = 96 C I max = 1,8 A MP

23 Kuva 1: Lämmönsiirtokyvyn riippuvuus lämpötilaerosta. MP

24 Jäähdytysripa Jäähdytettävältä kappaleelta tuleva lämpövirta on melko pieni, mutta jäähdytettäessä kappaletta huoneenlämmöstä tavoitelämpötilaan peltier-elementti käy todennäköisesti maksimiteholla. Suurin sallittu kuuman puolen lämpötila voi olla C = 46 C, jolloin vaadittava jäähdytysrivan jäähdytysteho on ,48 = 2,5 K/W Todellisuudessa siirrettävät lämpömäärät ovat niin pieniä, että mikä tahansa peltier-elementin pohjan kokoinen jäähdytysripa on riittävä MP

25 Muita kommentteja Virtalähde kannattaa mitoittaa peltierin maksimivirran mukaan Jäähdytysteho riippuu peltierin kylmän ja kuuman puolen lämpötilaerosta Ilmaisia suunnitteluohjelmia on saatavilla MP