KON C H03 Ryhmä G Samppa Salmi, 84431S Joel Tolonen, Koesuunnitelma

Transkriptio

1 KON C H03 Ryhmä G Samppa Salmi, 84431S Joel Tolonen, Koesuunnitelma

2 Sisällysluettelo Sisällysluettelo 1 1 Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoit e 2 2 Tutkimusmenetelmät Käytännön koejärjestelyt Venymäliuskapalkkivaa an toimintaperiaat e Kytkentäkaavio 5 3 Turvallisuustarkastelu 6 4 Virhetarkastelu 6 1

3 1 Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoite Tutkimuksen tarkoituksena on tutkia tuntemattomien kappaleiden massaa mittaamalla palkin, johon kappaleet on ripustettu, muodonmuutosta venymäliuskojen avulla. Tavoitteena on selvittää, kuinka tarkasti onnistutaan venymäliuskojen muodonmuutoksen perusteella määrittämään kappaleen paino. Tutkimusongelmana on venymäliuskoilta saadun signaalin muuttaminen oikeaan muotoon, eli ilmaisemaan palkin taipumisen aiheuttavan kappaleen massa. Palkkiin kohdistuva jännitys muuttaa venymäliuskojen resistanssia, ja näin muuttuu Wheatstonen sillalta ulostuleva jännite. Muuttuva jännite on verrannollinen kappaleen massaan kunhan järjestelmä on ensiksi kalibroitu tunnetuilla massoilla. Tutkimuksen tavoitteena on ensin määrittää onnistuneesti tunnettujen kappaleiden massat, minkä jälkeen voidaan olla varmoja koejärjestelyn toimivuudesta. 2

4 2 Tutkimusmenetelmät 2.1 Käytännön koejärjestelyt Tarvittavat välineet Lineaarielastinen palkki Työntömitta ja pidempi mitta palkin ulkomittojen selvittämiseksi Tukeva, jäykkä pöytä, joka ei tärise jatkuvasti 2 ruuvipuristinta palkin kiinnittämiseksi pöytään Punnuksia joiden massat tunnetaan (massaltaan noin g) Astia palkin päähän punnuksia varten Lujaa teippiä astian kiinnittämiseksi palkin päähän 2 venymäliuskaa Hiomis & puhdistusvälineet liuskojen kiinnittämiseksi palkkiin Wheatstonen silta säätövastuksella kahdelle venymäliuskalle Vahvistin Wheatstonen sillalta saatavalle jännitteelle Tiedonkeruulaite NI USB 6001 Johtoja kytkentöjä varten Juotoskolvi & juote johtojen liittämiseksi venymäliuskoihin Kapea tasapäinen ruuvimeisseli Kannettava tietokone virtalähteineen, labview asennettuna 230 V pistorasia tietokoneelle Koe suoritetaan mekatroniikan tutkimushallin alakerrassa. Koe aloitetaan puhdistamalla ja tasoittamalla palkki niistä kohdista joihin asennetaan venymäliuskat. Palkin esikäsittelyn jälkeen venymäliuskat liimataan tarkasti merkittyihin kohtiin, minkä jälkeen kolvataan johdot kiinni liuskoihin. Palkki voidaan nyt kiinnittää ruuvipuristimilla pöytään. Tämän jälkeen kytketään Wheatstonen silta venymäliuskoihin ja vahvistin Wheatstonen siltaan. Wheatstonen silta saa virran tiedonkeruulaitteelta (5V) ja vahvistin siihen kytketystä jännitelähteestä (5V). Vahvistimesta lähtee johdin tiedonkeruulaitteeseen, joka muuttaa venymäliuskojen analogisen signaalin digitaaliseksi. Digitaalinen signaali muutetaan tietokoneella LabView:n avulla ymmärrettäväksi dataksi, esimerkiksi massamittariksi. 3

5 2.2 Venymäliuskapalkkivaa an toimintaperiaate Kuva 1. Koejärjestely Kaavasta [1] saadaan laskettua palkin päähän ripustetun punnuksen massa kun käytössä olevat kaksi venymäliuskaa on kiinnitetty palkin päälle ja alle palkin suuntaisesti etäisyyden x päähän punnuksen kiinnityskohdasta. Kaava pätee, jos vaaka on nollattu siten, että on 0 V silloin kun palkissa ei ole punnusta kiinni. V out m = V out E b h 2 3 A k V in g x [1] Kaavan [1] merkintöjen selitykset: m Palkin päähän ripustetun punnuksen massa V out Vahvistimen tiedonkeruulaitteelle ulos antama jännite E Palkin materiaalin kimmokerroin b Palkin leveys h Palkin korkeus A Vahvistimen vahvistus k Liuskavakio (2) V in Syöttöjännite (5 V) g Putoamiskiihtyvyys (9,81 m/s²) x Venymäliuskan keskipisteen etäisyys punnuksen kiinnityskohtaan 4

6 Vaaka voidaan saada näyttämään oikeita lukemia vaikka edellä lueteltujen suureiden arvoja ei tunnettaisikaan, mikäli käytössä on punnuksia joiden massat tunnetaan. Näitä punnuksia voidaan kokeilemalla käyttää määrittämään sopiva kerroin, jolla V out saadaan muunnettua suoraan massaksi. Jos kuitenkin vain yksi suureista on tuntematon, voidaan kaavasta [1] ratkaista sille arvo. Esimerkiksi palkin kimmokerroin voidaan laskea, jos kaikki muut kaavan muuttujat tunnetaan. 2.3 Kytkentäkaavio Kuva 2. Kytkentäkaavio Wheatstonen sillan avulla voidaan määrittää tuntemattomien, keskenään samanlaisten, vastusten (=venymäliuskojen) resistanssi, kun tiedetään muiden vastusten resistanssi sekä sillasta ulostuleva jännite. Venymäliuskojen aikaansaama jännitesignaali on sen verran heikko, että se täytyy johtaa vahvistimen kautta, jotta tiedonkeruulaite kykenee muuntamaan analogisen signaalin (=jännitteen) digitaaliseen muotoon. Wheatstonen sillassa on säätövastus, jolla vastusten suhteet voidaan säätää sellaisiksi, että sillasta tulee ulos 0 V. Näin vaaka nollataan ennen kuin siihen asetetaan punnuksia. 5

7 3 Turvallisuustarkastelu Vaaka tullaan rakentamaan pöydälle, eli noin metrin korkeudelle lattiasta ja siksi testauksessa on syytä käyttää riittävän kevyitä punnuksia. Esimerkiksi 10 kg massainen punnus voi aiheuttaa ikäviä haittavaikutuksia pudotessaan varpaan päälle metrin korkeudelta. Liian suuri punnus tai liian pitkä palkki voi myös kaataa pöydän. Vaaka kannattaa rakentaa siten, että palkki ei ole kulkuväylällä, jossa joku voisi epähuomiossa kävellä sitä päin. Jos palkki joudutaan katkaisemaan lyhyemmäksi, on syytä käyttää asianmukaisia suojavarusteita katkaisukonetta kaytettäessä. Venymäliuskojen juottamisessa muodostuvaa savua ei kannata hengittää. Kokeessa käytettävät jännitteet ovat luokkaa 5 V, joten niistä ei pitäisi aiheutua vaaraa ihmisille. Ainoastaan kannettavan tietokoneen virtajohdossa kulkee vaarallinen 230 V vaihtovirta. 4 Virhetarkastelu Venymäliuskoja käytettäessä suurimmat virheet aiheuttaa Wheatstonen silta sekä itse venymäliuskat. Näitä virheitä voidaan minimoida käyttämällä hyvin tehtyä Wheatstonen siltaa. Kyseisessä kokeessa on käytössä kaksi venymäliuskaa, mikä pienentää virhemarginaalia verrattuna yhden liuskan käyttöön. Venymäliuskat ovat herkkiä äänille, joten mahdolliset voimakkaat äänet mittaushetkellä saattavat aiheuttaa pientä epätarkkuutta mittaustuloksissa. Käytössä olevan vahvistimen laatu vaikuttaa hieman virheen suuruuteen. Koetilassa tapahtuva muu ylimääräinen toiminta voi hieman vääristää venymäliuskoilta saatavaa signaalia, mutta se ei ole kovin merkittävä verrattuna mitattavan kappaleen aiheuttamaan signaalin vahvuuteen. 6