Luentokalvot lämpötilasäätimistä Elektroniset mittaukset-kurssiin



Samankaltaiset tiedostot
Lämpötilan säätö. S Elektroniset mittaukset Mikko Puranen Luennon sisältö

Opetuskalvot aiheesta pietsokontrollerit

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

Pynnönen SIVU 1 KURSSI: Opiskelija Tark. Arvio

IIZE3010 Elektroniikan perusteet Harjoitustyö. Pasi Vähämartti, C1303, IST4SE

Ledien kytkeminen halpis virtalähteeseen

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Verkkoliitäntäjohdot. Huomautuksia virtalähteestä FIN-2

SaSun VK1-tenttikysymyksiä 2019 Enso Ikonen, Älykkäät koneet ja järjestelmät (IMS),

Harjoitus (15min) Prosessia P säädetään yksikkötakaisinkytkennässä säätimellä C (s+1)(s+0.02) 50s+1

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

Kaksi yleismittaria, tehomittari, mittausalusta 5, muistiinpanot ja oppikirjat. P = U x I

Talon valmistumisvuosi 1999 Asuinpinta-ala 441m2. Asuntoja 6

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS127. Jatkuva-aikaiset IC-suodattimet ja PLL-rakenteet

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

LTY/SÄTE Säätötekniikan laboratorio Sa Säätötekniikan ja signaalinkäsittelyn työkurssi. Servokäyttö (0,9 op)

Muita tyyppejä. Bender Rengas Fokusoitu Pino (Stack) Mittaustekniikka

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

Recair Booster Cooler. Uuden sukupolven cooler-konesarja

PID-sa a timen viritta minen Matlabilla ja simulinkilla

Normaalisti valmistamme vastuksia oheisen taulukon mukaisista laadukkaista raaka-aineista. Erikoistilauksesta on saatavana myös muita raaka-aineita.

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

PYP I / TEEMA 4 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

Agenda. Johdanto Säätäjiä. Mittaaminen. P-, I-,D-, PI-, PD-, ja PID-säätäjä Säätäjän valinta ja virittäminen

Aineopintojen laboratoriotyöt 1. Veden ominaislämpökapasiteetti

HQ-TH40. Kosketusnäytöllä varustettu ohjelmoitava termostaatti ANLEITUNG MANUALE HASZNÁLATI ÚTMUTATÓ KÄYTTÖOHJE NÁVOD K POUŽITÍ BRUKSANVISNING

JOYETECH EVIC VT KÄYTTÖOHJE

13 KALORIMETRI Johdanto Kalorimetrin lämmönvaihto

SMG-4450 Aurinkosähkö

Pinnoitteen vaikutus jäähdytystehoon

ja sähkövirta I lämpövirtaa q, jolloin lämpövastukselle saadaan yhtälö

Venttiilit, säätimet + järjestelmät. jäähdytysjärjestelmien säätöön Tuotevalikoima

Ilmavirran säätöjärjestelmä

HQ-PURE300/12 (F) HQ-PURE300/24 (F) 300 WATIN DC-AC SINIAALTOINVERTTERI

PYP I / TEEMA 8 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

4. kierros. 1. Lähipäivä

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

EA Sähköiset ilmanlämmittimet

Piccolo - energiataloudellinen ilmanvaihdon pikkujättiläinen

Aikatason vaste vs. siirtofunktio Tehtävä

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

d) Jos edellä oleva pari vie 10 V:n signaalia 12 bitin siirtojärjestelmässä, niin aiheutuuko edellä olevissa tapauksissa virheitä?

1 Asentaminen. 2 Yleistä ja simuloinnin aloitus 12/

VIM RM1 VAL / SKC VIBRATION MONITOR RMS-MITTAUSJÄRJESTELMÄLLE KÄSIKIRJA. VIM-RM1 FI.docx / BL 1(5)

Koesuunnitelma. Tuntemattoman kappaleen materiaalin määritys. Kon c3004 Kone ja rakennustekniikan laboratoriotyöt. Janne Mattila.

1 PID-taajuusvastesuunnittelun esimerkki

Tehokas ledivalaisin 30 valkoisella ledillä. Käyttöjännite 12 20V. Nimellisvirta on noin 0.10A A Suunnittelija Mikko Esala.

Kiinteistötekniikkaratkaisut

Ilmanvaihto Säätimet 7/2016

EL-EPM01 Energiamittari

Multivibraattorit. Bistabiili multivibraattori:

ASENNUSOHJE. Lattialämmitystermostaatti PST FS-2020

VOIMALAITOSTEKNIIKKA MAMK YAMK Tuomo Pimiä

TEHOLÄHTEET JA MUUNTAJAT

SMITH-PREDICTOR Kompensaattori PI-Säätimellä. Funktiolohko Siemens PLC. SoftControl Oy

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Vakioilmastointikoneet. Suorahöyrysteiset, liuoslauhdutteiset ja vesijäähdytteiset mallit 5 20 kw

Asennusohje Viritettävä terrestiaalipäävahvistin HMB 6. SSTL n:o ULA-VHF I, VHF III, 6 x UHF ja AUX

EA Sähköiset ilmanlämmittimet

DEE Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 2 ratkaisuiksi

TN T 3 / / SÄH Ä KÖAS A IOI O TA T Vi taniemen koulu

SÄHKÖKÄYTTÖINEN VEDENLÄMMITIN EPO2. Versio 1.0

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

LED -VALOT JA KORVAUSPOLTTIMOT

TIETOISKU SUUNNITTELUHARJOITUKSEN DOKUMENTAATIOSTA

EA Sähköiset seinäasenteiset ilmanlämmittimet

LÄMPÖTILAN MITTAUS VASTUSANTUREILLA

Tehtävään on varattu aikaa 8:30 10:00. Seuraavaan tehtävään saat siirtyä aiemminkin. Välipalatarjoilu työpisteisiin 10:00

1 f o. RC OSKILLAATTORIT ja PASSIIVISET SUODATTIMET. U r = I. t τ. t τ. 1 f O. KAJAANIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ja liikenteen ala

Aurinkotuuletin AirPlus 100 & 120

Transistori. Vesi sisään. Jäähdytyslevy. Vesi ulos

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

Säätöjen peruskäsitteet ja periaatteet parempaan hallintaan. BAFF-seminaari Olli Jalonen EVTEK 1

Aurinkojärjestelmän syväpurkauksen ohjausyksikkö Suunnittelu Mikko Esala

111570SF CS60. Liitäntä- ja määritysopas Ohjausautomatiikka

Lämpöopin pääsäännöt

S Piirianalyysi 1 2. välikoe

Jäähdytysjärjestelmän tehtävä on poistaa lämpöä jäähdytyskohteista.

TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ

Teollisuusinfrapunalämmitin IR Suuriin ja korkeisiin tiloihin

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

Lämpöpuhallin Panther Tehokas lämpöpuhallin suurempiin tiloihin

Hydronic 10 Vikakoodit

SOLKUNGEN 600 & 1200 ASENNUS JA KÄYTTÖOHJEET

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

ASENNUSOHJE. DIN-kiskoon asennettava termostaatti ETI-1551

5.1.Jännitelähde + 15 V 10 A

testo 831 Käyttöohje

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

AB LUOKAN AUDIOVAHVISTIMEN SUUNNITTELUOHJEITA

Toimintakokeet toteutus ja dokumentointi Janne Nevala LVI-Sasto Oy

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Nokeval. Käyttöohje. Käsiasema 540. No

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Transkriptio:

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto MIKES TKK Mittaustekniikka Luentokalvot lämpötilasäätimistä Elektroniset mittaukset-kurssiin 1.3.2006 DI Mikko Puranen Mittaustekniikan erikoistyö kurssiin S-108.3120 Erikoistyö. Opintopisteet (ECTS): Arvosana (1 5): Ohjaajan allekirjoitus: Dos. Petri Kärhä

Lämpötilan säätö S-108.2010 Elektroniset mittaukset Mikko Puranen 20.2.2006 Luennon sisältö 1. Termodynaaminen malli 2. Jäähdytyksen suunnittelu 3. Peltier-elementit 4. Lämpötilasäätäjät PID-säädin

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:

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

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 K/W @ 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

Peltier-elementti Seebeck-ilmiö: Ilmiön havaitsi ensimmäistä kertaa saksalainen fyysikko Thomas Johann Seebeck v. 1821 Jos metallitangossa oli lämpötilagradientti, tangon päistä oli mitattavissa jännite Peltier-elementti Peltier-ilmiö: Jean Peltier v. 1834 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.

Peltier-elementti Eri kokoisia ja muotoisia Usein myös integroitu käyttökohteeseen, esim. lasermodulit Kuluttavat paljon virtaa Yhdellä elementillä saavutettava lämpötilaero on tyypillisesti 70-80 C Elementtejä voidaan kasata myös useita päällekkäin

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

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.

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

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

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

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

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

Kaupallinen laite Thorlabs TED 350 Max virta ±5 A IEEE 488.2-väylä Hinta 1800 " Säätöalue -45-145 C Tarkkuus 0,002 C

Elektroniset Mittaukset Kotitenttitehtävä 4 Mikko Puranen 27.2.2006 MP 27.2.2006

Tehtävä 4 Suunnittele lämpötilasäädin, joka pitää kuparikappaleen (30 30 10 mm 3 ) -50 C lämpötilassa, kun ympäristön lämpötila vaihtelee 10 30 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 27.2.2006 1

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 27.2.2006 2

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 = 5,6705 10 8 W m 2 K4, e 0,3, T = 223 K ja T s = 303 K. Sijoitetaan, ja saadaan tulos H 0,21 W MP 27.2.2006 3

Kuparikappaleen lämpökapasiteetti Tavoitelämpötilan saavuttamiseen kuluva aika riippuu kappaleen lämpökapasiteetista Q ja jäähdytystehosta P. Q = mc T t = Q P H MP 27.2.2006 4

Peltierin valinta Vaatimukset: Jäähdytysteho vähintään 3 W Koko korkeintaan 30 30 mm 2 Lämpötilaero vähintään 80 C MP 27.2.2006 5

Valittu elementti Sopiva elementti on esim. Melcorin 3 CCP 040 065-127- 71-31: H max = 6,48 W kolmikerroksinen, T max = 96 C I max = 1,8 A MP 27.2.2006 6

Kuva 1: Lämmönsiirtokyvyn riippuvuus lämpötilaerosta. MP 27.2.2006 7

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 50 + 96 C = 46 C, jolloin vaadittava jäähdytysrivan jäähdytysteho on 46 30 6,48 = 2,5 K/W Todellisuudessa siirrettävät lämpömäärät ovat niin pieniä, että mikä tahansa peltier-elementin pohjan kokoinen jäähdytysripa on riittävä MP 27.2.2006 8

Muita kommentteja Virtalähde kannattaa mitoittaa peltierin maksimivirran mukaan Jäähdytysteho riippuu peltierin kylmän ja kuuman puolen lämpötilaerosta Ilmaisia suunnitteluohjelmia on saatavilla MP 27.2.2006 9