Lämpöantureilla mittaaminen Tämän harjoituksen jälkeen: olet tutustunut mittausjärjestelyissä vastaan tuleviin elektronisiin piireihin, osaat tehdä yksinkertaisen lämpötilamittauksen analogisilla lämpöantureilla, ymmärrät ensimmäisen asteen mittauksen periaatteen, osaat käsitellä mittaustuloksia jälkikäteen MATLABilla. Harjoituksessa käytetään kolmea erityyppistä lämpöanturia: PT100-, KTY81- ja LM35-antureita. Termistorien toiminta perustuu vastusarvon muuttumiseen lämpötilan vaikutuksesta. LM35-anturi sisältää lisäksi integroidun piirin, jonka ansiosta sen ulostulona saadaan helposti hyödynnettävissä oleva 10mv/ C alkaen nollasta, eli anturin ulostulojännite 0 C:ssa on 0 V. Alla on esitetty laboratorioharjoituksessa tehtävät kytkennät (Kuva 1). Lämpöanturit kytketään tiedonkeruulaitteen analogituloihin AI0, AI1 ja AI2. Kytke tiedonkeruulaite USB-kaapelilla tietokoneeseen, tietokoneen pitäisi tunnistaa laite automaattisesti. Kuva 1. Tarvittavat kytkennät. Avaa LabVIEW ja lämpöanturit.vi. Tällä ohjelmalla voi lukea kolmea eri lämpöanturia. Front Panel:ssa näkyvät Waveform Chart:t näyttävät kustakin anturista mitatut ja lasketut lämpötilat (Kuva 2). PT100- anturin mittaustuloksissa on havaittu ongelmia, joten PT100 jännite ja PT100 vastus numeeriset indikaattorit on tuotu näyttämään PT100-anturista mitattua jännitettä ja siitä laskettua vastusarvoa. Lisää Front Paneliin PT100-anturin etuvastus ja lämpötilakerroin sekä KTY81/210 anturin etuvastus alla näkyvän kuvan lukemien perusteella (Kuva 2). Lisää lisäksi tietolehdestä löytämäsi KTY81/210-anturin
vastusarvo 25 C:ssa ja lämpötilakerroin (Huom! Tietolehdessä lämpötilakerroin on annettu muodossa %/K, syötä arvo muodossa 1/K.) Kuva 2. lämpöanturit.vi:n Front Panel. Siirry tämän jälkeen Block Diagram:iin. Tutkiskele mittausjärjestelyä. Saat näkyviin käytettyjen blokkien nimet valitsemalla palikan hiiren oikealla ja Properties (Kuva 3). Ohjelma muuttaa esitehtävässä tehdyn laskun mukaisesti PT100- ja KTY81-antureilta mitatun jännitteen lämpötilaksi. LM35-anturin lukema saadaan muutettua lämpötilaksi kaavalla T = V mit 0,01V = 100 V mit V. (3) Write To Measurement File -funktio tallentaa sarakkeisiin järjestyksessä PT100-anturin jännitteen, KTY81-anturin jännitteen, PT100-anturin lämpötilan, KTY81-anturin lämpötilan ja LM35 anturin lämpötilan. Tiedot tallennettaan taulukkomuodossa lampo-nimiseen Excel-tiedostoon. Tällä kertaa käytetään Use next available filename -tallennusmuotoa, jolloin ohjelma käyttää juoksevaa numerointia (lampo.xlsx, lampo_1.xlsx jne.), jos samannimisiä tiedostoja on jo tallennettuna.
Kuva 3. lämpöanturit.vi:n Block Diagram. Aina käytettäessä jonkun toisen valmistelemaa LabVIEW-mittausohjelmaa tulee tarkistaa, että DAQ Assistant -funktion tiedot vastaavat aiottua mittausta. Avaa siis DAQ Assistant. Valitse Details >>. Havaitaan, että tiedonkeruulaite ei vastaa käytössä olevaa (Kuva 4). Paina Hide Details << ja vaihda käytössä olevat kanavat vihreästä nuolesta. Valitse (USB-6001)/ ai0, ai1 ja ai2 -kanavat (Kuva 5). Hyväksy valitsemalla OK. Kuva 4. DAQ Assistantin mittauskanavien tarkistaminen.
Kuva 5. Oikeiden kanavien valitseminen. Varmista, että Terminal Configuration on muodossa RSE (referenced single-ended), eli mitattavia jännitteitä verrataan tiedonkeruulaitteen maahan. Näytteitä otetaan yksi kerrallaan 10 Hz:n taajuudella (Samples to Read 1 ja Rate (Hz) 10). Asetukset ovat muuten kunnossa, joten paina OK. Nyt on valmistelut tehty mittausta varten. Huom! Analyysin kannalta Aloita mittaus painamalla Run. Laita hetken (15 s) päästä käsi anturien (kolme mustaa anturia labrakitin kytkentälevyllä) päälle, ja mittaa vielä noin kaksi minuuttia. Lopeta mittaus stop (F) -painikkeesta. Ota käsi pois anturien päältä. Tarkista, että oikeannäköinen tiedosto on tallentunut, eli siitä löytyy kuusi saraketta ja paljon rivejä. Laboratorioharjoituksen jälkeen: tulosten analysointi MATLABilla Tämän ohjeen lomassa esitetään joitain pohdiskelevia kysymyksiä (tunnistat ne kursiivista). Kirjaa ajatuksiasi ylös. Ne liitetään mukaan palautettavaan dokumenttiin lopuksi. Poista mahdolliset edellisistä tehtävistä jääneet Untitled-nimiset muuttujat työtilasta (Workspace) tai scriptit työskentelykansiostasi (Current Folder = Working directory), ne voivat häiritä tehtävän tekemistä. Muuttujat voi poistaa komennolla clear. Tuo lampo-mittaustiedosto MATLABin työtilaan Import Data - työkalulla. Lataa MyCoursesista lampoanturit.m-scripti, tuo se MATLABin työskentelykansioosi ja avaa se. Scriptissä on moni asia jo valmiina, mutta joitain asioita tulee täydentää itse. Ohjelman ensimmäinen solu tallentaa muuttujat, ja toinen piirtää kuvaajan eri antureilla määritetyistä lämpötiloista. Aja kaksi ensimmäistä solua viemällä kursori kyseisiin soluihin ja painamalla CTRL+ Enter (tai valitse solu hiiren oikealla ja Evaluate Current Section). Toisen solun lopussa käytetään MATLABin komentoja mean ja std KTY-81 ja LM35-anturien lämpötilamittausten keskiarvojen ja keskiarvojen keskihajontojen laskemiseen mittauksen kolmen sekunnin aikana. Näiden arvojen tulisi olla likimain samat. Jos näin ei ole, niin jossain mittauksen aikana tai LabVIEW-mittausohjelmassa on tapahtunut virhe. Havaitaan, että PT100 anturin lämpötilalukema poikkeaa kahdesta muusta anturista. Pohdinta: Mistä voisi johtua, että PT100-anturilta tuleva lämpötila vaihtelee useamman asteen kerrallaan? Muilta antureilta mitattu lämpötila näyttäisi vaihtelevan pienemmillä askeleilla. Jotta saisimme säädettyä PT100-anturin lukeman vastaamaan kahden muun anturin lukemaa, kolmannessa solussa pyritään muuttamaan PT100 anturin esivastuksen laskennallista arvoa siten, että anturilta mitattu lämpötila vastaisi lähemmin todellisuutta kuin mitä ensimmäisestä kuvaajasta käy ilmi. Solussa tulee lisätä esitehtävän kaavaa 1 mukaillen kaava, jolla voidaan määrittää etuvastuksen R 1 arvo. PT100-anturin vastusarvo saadaan muuntotaulukon avulla, kun tunnetaan mittauslämpötila
muiden anturien lukemien perusteella (tulostettu MATLABin työtilaan edellisessä solussa). Solun alussa on jo määritetty keskimääräinen PT100-anturilta mitattu jännite ensimmäisen kolmen sekunnin aikana. Neljännessä solussa käytetään keskiarvoistavaa suodatusta PT100-anturin mittaustulosten suodattamiseen. Tähän ei tarvitse lisätä mitään, vaan voit ajaa solun. Pohdinta: Miten suodatettu signaali suhtautuu muiden antureiden lämpötilatietoihin? Vastaako suodatettu signaali paremmin muiden antureiden lämpötilatietoja kuin suodattamaton? Viidennessä eli viimeisessä solussa pyritään laskemaan KTY81- ja LM35-antureiden aikavakioita. Aikavakiolla tarkoitetaan aikaa, jonka jälkeen anturi saavuttaa 63 % loppuarvosta askelmaisen herätteen jälkeen. Aluksi sinun tulisi määrittää aikavektorin alkio t0, jolla anturin alkavat lämmetä. Tämä saadaan määritettyä äskeisen kuvan perusteella (Kuva 6). Huom! Oma kuvaajasi voi poiketa merkittävästi esimerkikstä (Kuva 6), riippuen mittauksestasi. Valitse Data Cursorilla suurin piirtein kohta, jolla anturit alkavat lämmetä. Koska näytteenottotaajuus oli 10 Hz, käytettävä aikavektorin alkio on noin kymmenkertainen verrattuna Data Cursorin X-arvoon. Alla näkyvässä tapauksessa muuttujaksi t0 merkattaisiin 64 (Kuva 6). Kuva 6. Lämpenemisen alkamisen määrittäminen. Kun olet saanut arvon t0 lisättyä, aja viimeinenkin solu. Solussa on hyödynnetty MATLABin sisäänrakennettua sovitus (=fit) funktiota eksponettisovituksen tekemiseen. Aikavakio saadaan määritettyä eksponenttifunktion potenssiarvon (b) avulla. Selvennykseksi, kirjoita MATLABin työtilan
komentoriville flm35 ja paina Enter, niin näet, miten eksponenttisovitus on muodostettu. Kirjoittamalla komento flm35.b päästään suoraan käsiksi sovitus-objektin b-termiin. Pohdinta: Miten KTY-anturin aikavakion arvo suhtautuu sen tietolehdestä luettuun arvoon? Lopuksi käytetään MATLABin Publish-ominaisuutta palautettavan Word-tiedoston tekemiseen. Valitse Publish-välilehti ja Edit Publishing options. Oletusarvot ovat muuten hyvät, mutta vaihda Output file format -kohtaan doc. Paina Publish. Kirjoita tämän Word-tiedoston loppuun pohdintasi esitettyihin kysymyksiin. Tallenna tiedosto PDF:nä, ja palauta tämä tiedosto MyCoursesiin.