Kortlaboration 3. 1 Mätning av temperatur med hjälp av temoelement.

Transkript

1 MMK, KTH Kortlaborationer 1 Kortlaboration 3 Termoelement, LabView-mätningar och Förstärkare. Målet för denna laboration är att använda några vanliga mätgivare. Dess utsignal ska mätas med voltmeter (sscopemeter) och med hjälp av ett mätkort och programvaran LabView. Då utsignalen är för låg finns anledning att använda förstärkare. Av denna anledning ska du även studera betydelsen av förstärkarens inresistans. 1 Mätning av temperatur med hjälp av temoelement. Termolementet och dess datablad I denna laboration använder vi termoelement av typ K, som har materialkombinationen NiCr/NiAl. Detta element är det mest linjära av de oädla termoelementen ( 41,0 V/ C). I tabellen anges sambandet mellan termoemk E och temperatur t, om referenspunkten t 0 C. REF t 1 t 2 Material 1 Material 2 Material 1 Cu + E t REF Material 2 Cu Tabell: Termospänning i mv för temperaturer mellan 0 C +79 C t 0 C Termoelement typ K, NiCr/NiAl REF [ C] ,00 0,03 0,07 0,11 0,15 0,19 0,23 0,27 0,31 0, ,39 0,43 0,47 0,51 0,55 0,59 0,64 0,68 0,72 0, ,80 0,83 0,87 0,91 0,95 0,99 1,03 1,07 1,12 1, ,20 1,24 1,28 1,32 1,36 1,40 1,45 1,49 1,53 1, ,61 1,65 1,69 1,73 1,77 1,81 1,86 1,90 1,94 1, ,02 2,06 2,10 2,15 2,19 2,23 2,27 2,31 2,35 2, ,44 2,48 2,52 2,56 2,60 2,64 2,69 2,73 2,77 2, ,85 2,89 2,93 2,98 3,02 3,06 3,10 3,14 3,18 3,23

2 2 Elektroteknik MMK, KTH Teori Börja med att ställa upp sambandet mellan termospänningarna i de 4 kontaktpunkter som är temperaturkänsliga och utsignalen E. Beräkna sedan spänningen E för några olika temperaturer, 0 C, 22 C, 30 C och 50 C. För in värdena i t abellen på sid 3. Kalibrering av mätutrustningen t 1 t 2 Material 1 Material 2 Material 1 Cu + E Förstärkare 440 ggr V + U UT t ref Material 2 Cu Som framgår av tabellen ovan är termoemken mycket liten, endast av storleksordningen mv. För att kunna mäta denna låga spänning med kortlabbarnas universalinstrument (2,5 V-området) eller scopemeter använder vi en mätförstärkare med förstärkningen 440 ggr. En 2 mv termoemk på förstärkarens ingång ger således ca 0,9 V på förstärkarens utgång. Kontrollera förstärkarens matningsspänning. Termoemken kan vara både positiv eller negativ, och förstärkaren måste därför matas med både positiv och negativ matningsspänning ( 12V 24V). Detta sker med tre sladdar till förstärkarlådans övre högra hörn (märkt med: +, GND, -). Nollställ E KORR. Förstärkaren har en ratt med vars hjälp man kan lägga till eller dra ifrån en korrektionsspänning. Anslut termoelementet (det med två mätpunkter) och se till att båda mätpunkterna ligger på samma temperatur (tex rumstemperaturen). Termoemk till förstärkaren är nu 0 mv. Gör en grovjustering med ratten så att voltmetern visar 0. Referenstemperaturugn. Kontrollera matningsspänningen till ugnen. Den skall matas med 24 V (+ röd, - svart). Ugnen skall vara påslagen ett tag innan mätningarna för att temperaturen skall hinna stabilisera sig. Ugnens noggrannhet är måttlig.

3 MMK, KTH Kortlaborationer 3 Mätning: Termoelement och två kontaktställen. Referens: Smältande is (0 C). Anslut termoelementet till förstärkaren. Prova vilket av kontaktställena som ger positivt utslag när det värms upp mellan fingrarna. Låt detta blir mätpunkten. Det andra kontaktstället blir referenspunkten. Be assistenten om en isbit (krossad is) som temperaturreferens. (Tips: Iskrosset skall simma i cirkulerade vatten, du måste alltså röra om för att inte få temperaturskiktningar i vattnet.) Håll både referenspunkten och mätpunkten i issörjan. Justera ratten så att voltmetern visar 0 V. Genomför mätningarna och jämför med de teoretiska värdena. 0 (smältande is) 22 C 30 C (fingrar) 50 C ugnens temperatur Beräknad Uppmätt: E [mv] U UT [mv] U UT [mv] [ C] (enl tabell) 0 0 justeras = 0 0 Mätning: Termoelement med ett kontaktställe. Referens: Rumstemperatur Oftast används en modifierad krets, som visas i figuren till höger. Teori Börja med att ställa upp sambandet mellan Material 2 Cu termospänningarna i de 3 kontaktpunkter som är temperaturkänsliga och utsignalen E. Beräkna sedan spänningen E för några olika temperaturer, 0 C, 22 C, 30 C och 50 C. För in värdena i t abellen på sid 4. t 1 Material 1 t 2 Cu + E

4 4 Elektroteknik MMK, KTH Mätning Eftersom det är två punkter som skall hållas t 2 vid Material 1 Cu referenstemperaturen är denna mätkrets praktisk t + Förstärkare 1 E V ggr att använda när man Material 2 Cu låter omgivningstemperaturen, rumstemperaturen, vara temperaturreferens. Det finns två termoelement med modifierad mätkrets på en platta. Anslut det ena av dessa till förstärkaren. Mät issörjans temperatur och justera förstärkarens ratt så att voltmetern visar 0V! U UT 0 (smältande is) 22 C (rumstemp) 30 C (fingrar) Beräknad Uppmätt: E [mv] U UT [mv] U UT [mv] [ C] (enl tabell) 0 0 justeras = C ugnens temperatur (Kontrollera därefter att det andra termoelementet visar samma). Vilken korrektionsemk har du lagt till då du justerade förstärkaren så att du fick spänningen 0V vid mätning på issörjan? Får du samma värden på temperaturerna som tidigare?

5 MMK, KTH Kortlaborationer 5 2 Skriv ett program i LabVIEW som genererar en sinusvåg. LabVEIW program kallas virtuella instrument eller Vi s eftersom de imiterar funktionen och ser ut som traditionella fysiska instrument som till exempel oscilloskåp och multimetrar eller hastighetsmätare. I LabVIEW finns en olika verktyg för att samla in, analysera, presentera och spara mätdata. Ett LabVIEW program ett VI består av två delar, frontpanelen och blockschemat. I frontpanelen kan ett användargränssnitt byggas upp av knappar, vridpotentiometrar och andra så kallade controls och av så kallade indicators såsom lysdioder, grafer. I blockschemat byggs själva funktionaliteten, det vill säga vad som visas på indikatorer och vad kontrollerna ska påverka. Ett VI kan se ut som i figurerna nedan. Ovanstående figur visar blockschemat och där finns blocket simulate signal vars amplitud styrs från blocket knob. simulate signal blocket skickar en signal till DAQ Assistant blocket. DAQ Assistant blocket skickar ut signalen på en analog utgång, en D/A-omvandlare (Digital till analogomvandlare). Signalen som blir en spänningen och kan mätas med voltmeter eller scopemeter. I den nedre delen av bilden syns blocken DAQ Assistant2 och Waveform Graph. Här är funktionen den omvända mot tidigare, här mäts en signal = en spänning med en analog

6 6 Elektroteknik MMK, KTH ingång, en A/D omvandlare. Signalen skickas till en Waveform Graph som är ett diagram där signalen visas som funktion av tiden. Blocket stop och rutan som ringar in bockschemat hänger ihop, det är en while loop som gör att programmet upprepas om och om igen tills någon trycker på en stoppknapp. Blocken Waveform Graph, Knob och stop återfinns även på frontpanelen nedan som är den instrumentering som används då programmet körs. Under programutvecklingsfasen har man normalt nytta av två ytterligare förnster. Dessa syns nedan och heter Tools Palette och Context help. Om de inte syns kan man få fram Tools Palette genom att välja Show Tools Palette under Window. Context help finns under help. I Tools Palette väljs vilken funktion musmarkören skall ha och det är bekvämt att välja Automatic tool selection som man får genom att klicka på den översta rektangulära rutan i Tools Palette. Automatic tool selection innebär att rätt verktyg automatiskt väljs beroende på var musmarkören befinner sig.

7 MMK, KTH Kortlaborationer 7 Generera en sinusformad växelspänning och presentera den på datorskärmen. Vi börjar med att skapa en sinusformad signal och presenterar den i en graf. Därefter skickar vi signalen till en analog utgång, signalen D/A-omvandlas och blir en spänning. Denna spänning ska vi mäta med scopemetern. Nedan följer ett exempel på hur man genererar en periodisk signal och visar signalen i en graf. Starta LabVIEW och följ nedanstående instruktion: Klicka på Blank VI i rutan New. Nu syns ett nytt VI Untiteld 1 med två fönster, ett Block Diagram och ett Front Panel. Nästa steg blir att döpa det till voltageout och spara det. <File> <Save as> döp programmet till voltageout <Save> Nu ska vi placera ut det som behövs på Frontpanelen. För att styra signalen behövs en potentiometer knob och för att visa signalen behövs en graf waveformgraph. Klicka på frontpanelen och därefter <View> <Controls palette> <Num Ctrls> under Express i Controlfönstret klicka på knob och dra in den i Frontpanelen. Klicka sedan på Express igen. <Graph Indicat > i Controlfönstret. tryck på Graph och dra in den i Frontpanelen. I Frontpanelen syns nu dels en knob och dels en Waveform Graph ungefär som i figuren nedan.

8 8 Elektroteknik MMK, KTH Kontrollera att dessa även återfinns i blockschemat genom att byta till detta fönster. Nu ska vi lägga in en signalgenerator i blockschemat och göra de nödvändiga kopplingarna (tråddragningar). Klicka på blockdiagrammet <View> <Functions palette> <Input> under Express i Functionsfönstret. Klicka på Simulate sig och dra in den i Blockschemat När blocket släpps på blockschema visas en konfigureringsdialogruta som ser ut som i figuren nedan:

9 MMK, KTH Kortlaborationer 9 Här kan vi till exempel välja om vi vill ha en sinusformad storhet eller en fyrkantvåg och mycket annat. Ändra bara Frequency till 100 Hz innan <OK>. Efter det så ser blockschemat ut ungefär som i figuren nedan: I blockschemat finns nu tre block, Knob, Simulate signal och Waveform Graph. Greppa nederkanten på Simulate Signal och dra nedåt och släpp. Syns ingången Amplitude

10 10 Elektroteknik MMK, KTH så har ni dragit tillräckligt långt. Det är dags att dra ledningar mellan blocken. Flytta musmarkören så pass nära utgången på knob att en trådrulle syns, klicka och dra en tråd till ingången Amplitude på Simulate signal blocket. Förbind sedan på samma sätt utgången Sine med ingången på Waveform Graph och därefter får man nedanstående blockschema. Nu kan programmet exekveras och det görs lämpligast genom att klicka på pilknappen längst upp till vänster i frontpanelen. Provkör några gånger och vrid på knobb lite mellan varje körning. Hur fungerar programmet? För att kunna köra programmet om och om igen så ska vi lägga det i en while-loop. Klicka på blockdiagrammet <View> <Functions palette> <Exec Control> under Express i functionsfönstret. klicka på While loop och dra in den i Blockschemat så att den lägger sig som en ram runt de övriga tre blocken. Samtidigt med rutan dyker knappen stop upp, både i blockdiagrammet och på frontpanelen.

11 MMK, KTH Kortlaborationer 11 Knappen stop återfinns även i frontpanelen. Provkör nu programmet igen och prova vad som händer om man trycker på stop-knappen. Vad blev Skillnaden? Generera en sinusformad växelspänning och sänd ut den till yttervärlden via AO0. Blockdiagrammet ska kompletteras med en DAQ-assistant, som är ett så kallat express VI. Med DAQ-assistanten kan vi skicka ut signaler som spänningar eller läsa in, mäta, spänningar. I detta fall vill vi lägga ut en periodisk spänning. Klicka på blockdiagrammet <VIew> <Functions palette> <Output> under Express i functionsfönstret. klicka på DAQ Assist och dra in den i Blockdiagrammet. Nu startas en initialiseringsprocess och nedanstående fönster dyker upp.

12 12 Elektroteknik MMK, KTH Där ska vi välja Generate Signal, sedan: <Analog Output> <Voltage> <ao0> <Finish> Därefter ser ni följande fönster:

13 MMK, KTH Kortlaborationer 13 Under Timing settings ändrar ni Generation mode till Continous Samples, tryck sedan <OK>. Efter det har det dykt upp en ingång på DAQ Assistant blocket som heter data. Dit skall signalen som skall omvandlas till spänning dras. Dra denna tråd och få en bild som nedan.

14 14 Elektroteknik MMK, KTH Nu kan programmet köras genom att som tidigare trycka på pilen. Försök nu mäta spänningen med scopemeterns ena kanal t ex A. Se om det fungerar genom att ändra amplituden med knob. Till mätkortet som sitter i datorn finns en anslutningsbox som står på labbplatsen. Vi valde tidigare analog utgång 0 (ao0) vilket innebär att signalen uppkommer mellan punkten AO0 och AOGND. Spara programmet. Studera signalen med hjälp av scopemetern: Den uppmätta signalen blir trappstegsformad. Mät med scopemetern tiden för ett trappsteg. Studera properties för blocket Simulate Signal. Där finns under rubriken Timing en parameter Samples per second (Hz). Hur är den kopplad till den uppätta tiden ovan?

15 MMK, KTH Kortlaborationer 15 3 Mät en givarsignal med hjälp av LabView. Gör en snygg presentation! Resistiva lägesgivare för vinkel och längd av typen vrid- eller skjutmotstånd. Resistiv vinkelgivare, sk. Trottelpotentiometer. Används tex för att mäta gaspedalens läge i personbilar. (Fabrikat Duncan. Olinjäritet = 2 %, pris c:a 1000 kr). Resistiv förskjutningsgivare. Används tex för att mäta maskindelars position/läge. (Fabrikat Duncan. Olinjäritet = 0,08%, pris c:a 3000 kr). Resistiva vinkel- eller förskjutningsgivare är i princip konstruerade som vrid- respektive skjutmotstånd. En resistiv vinkelgivare är alltså helt enkelt ett precisionsvridmotstånd. Linjära förflyttningssträckor har sedan länge mätts med givare av vridmotståndstyp, kopplade till mätobjektet till exempel via kuggstång och kugghjul, men förskjutningsgivare av typen skjutmotstånd får nu allt större användningsområden. Labutrustning: Labutrustningens vinkelgivare består av en 10 k vridpotentiometer som spänningsmatas med framspänningsfallet hos två dioder. Som i sin tur tar sin ström från Spänningsaggregatet på labbplatsen U M, 12 V). Potentiometern är relativt billig, men den får symbolisera någon av de precisionsgivare som presenterats på föregående sida. Givare för vridningsvinkel V GND V U

16 16 Elektroteknik MMK, KTH Teori Undersök sambandet mellan vridningsvinkel och utspänning U från givaren. Givaren matas med +12 V, GND och -12V enligt figuren ovan. Studerar man figuren kan man identifiera de spänningar som finns inritade här till höger. Tag fran U 1 med hjälp av spänningsdelning. + 1,4V + 0,7V + 0,7V (1-x)R xr + U 1 A + U B U 1 = Tag fram U med hjälp av Kirchhoffs potentialvandring. U = Bestäm Max och Min-värde för U Är utsignalen U direkt proportionell mot vridningsvinkeln? Ställ upp utsignalen U som funktion av rattläget (där pilen gör kontakt med resistansen). Mätning Spänningsmata givaren med med +12 V, GND och -12V enligt figuren ovan. Anslut scopemeterns ena kanal mellan givarens uttag U och GND. Ställ in scopemetern för mätning av likspänning VDC. Ställ in vinkeln i 150 och mät U = V. Ställ in vinkeln i -150 och mät U = V. Ställ in vinkeln i 0 och mät U = V. Rita in dessa tre punkter i diagrammet nedan. Välj ut ytterligare 4 vinklar och mät spänningen för dessa. Rita in även dessa i diagrammet och försök dra en linje.

17 MMK, KTH Kortlaborationer 17 Utspänningen från givaren V 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0, V Vinkelgivare Skapa LabView-programmet som mäter vinkeln och presenterar den på datorskärmen. Uppgiften i detta avsnitt är att mäta en vinkel från en vinkelgivare och presentera den på fronpanelen som en visare. Titta på figuren nedan. Gör ett nytt VI och döp det till vinkel.vi. För att hitta de olika indikatorer som syns i figuren nedan gör följande med fönstret Front Panel aktivt: <View> <Control Palette> <Num Inds> Dra in Gauge och några Num Ind på frontpanelen och försök döp dom enligt figuren nedan. Förstora visarinstrumentet så att det blir tydligt. Det finn även en Numeric control som kan döpas till skalning. <View> <Show Control Palette> <Num Ctrls>

18 18 Elektroteknik MMK, KTH För att få vinkelvisaren ovan att graderas från -150 till 150 så högerklickar man på visaren klickar sen på scale. Sen kan man gissa. Nedan visas delar av programmet. Dels används Daq assistant för att mäta den analoga spänningen från vinkelgivaren och göra om den till en siffra som visas med den numeriska indikatorn som har namnet spänning. Blockschemat skall sedan kompletteras av er så att spänningen räknas om till en vinkel och presenteras dels på den numeriska indikatorn vinkel och dels på visasarindikatorn vinkel.

19 MMK, KTH Kortlaborationer 19 Daq Assistant blocket har ni redan fått instruktion om hur man får. Rita in i figuren ovan hur blocken ska kopplas ihop, innan ni gör det i LabView! DAQ Assistant properties ska se ut som i nedanstående figur, observera att ni under Terminal Configuration skall välja RSE. Dessutom behövs förmodligen (beroende på vilken strategi man väljer för att lösa problemet) ett multiplikatorblock som fås enligt: <View> < Functions Palette> <Arith & Compare> under Express <Numeric> Dra in blocket Multiply.

20 20 Elektroteknik MMK, KTH Vi skall använda ai0 kanalen för att mäta spänningen från vinkelgivaren. Koppla därför enligt nedan. - En sladd mellan AI0 på kopplingslådan och U på vinkelgivaren. - En sladd mellan AIGND på kopplingslådan och GND på vinkelgivaren. Visa upp instrumentering när den fungerar. 4 Förstärkare och dess inresistans (Om Du hinner) En förstärkares inresistans har betydelse om den är av samma storleksordning som givarens. Är givarens och förstärkarens resistanser kända och linjära brukar detta inte ställa till med mer bekymmer än att man måste räkna om det avläsata värdet till ett korrektvärde. Se kursboken avsnitt 4.2 Allmänt om förstärkare. Under förra avsnittet mättes vinkelgivarens utsignal med ett högohmigt instrument. Vi kunde därför bortse från givarens utresistans. Så är inte fallet i denna mätning. En modell av givaren av typen tvåpolsekvivalent används för att jämföra med förstärkarens inresistans. E k varierar ellan -0,7 V och + 0,7 V (se förra,mätningen) och R k varierar med vinkelläget enligt detta uttryck (se figuren till höger): xr (1 x) R R AB x(1 x) R det vill säga en xr (1 x) R (1-x)R xr A B andragradsekvation. Deriveras denna med avseende på x fås maximum finns för x=1/2 och är 1 R ABMAX R. 4 dr AB ( 1 2 x ) R och ett dx Teori De två vanligaste förstärkarkopplingarna med OP-förstärkare är den inverterande kopplingen och den icke inverterande kopplingen. Antag att du har tillgång till fyra resistorer med resistansvärdena 1 k, 3 k, 15 k och 30 k. Tag fram signalförstärkningen FS för de två OP-förstärkarkopplingarna. Inverterande och Icke inverterande OP-förstärkarkoppling. Sök igenom tabellen nedan och ringa in: Vilken resistorkombination ger båda förstärkarna 3 ggr förstärkning? Vilken är den högsta förstärkning som kan ställas in med dessa resistorer? Vilken är den lägsta förstärkning som kan ställas in med dessa resistorer?

21 MMK, KTH Kortlaborationer 21 (OBS! Du behöver troligtvis inte räkna fram alla värden) Icke inverteraren Inverteraren R F1 R Å1 F S1 R F2 R Å2 F S2 1 k 3 k 15 k 30 k 3 k 1 k 30 k 15 k 1 k 15 k 3 k 30 k 15 k 1 k 30 k 3 k 1 k 30 k 3 k 15 k 30 k 1 k 15 k 3 k 3 k 15 k 1 k 30 k 15 k 3 k 30 k 1 k 15 k 30 k 1 k 3 k 30 k 15 k 3 k 1 k 3 k 30 k 1 k 15 k 30 k 3 k 15 k 1 k Mätningar Med hjälp av OP-förstärkarna och två voltmetrar ska du mäta utspänningen U från den resistiva vinkelgivaren (och därigenom indirekt vridningsvinkeln). Koppla upp de två OPförstärkarna som en inverterare och en icke inverterare. Båda ska ha en förstärkning med beloppet = 3 ggr V V R F1 R Å1 R F2 R Å2 GND V +15 V +15 V GND U V -15 V -15 V GND GND Mät upp utspänningen från förstärkarna som funktion av givarens vridningsvinkel och rita kurvor över dessa två samband (använd voltmeterns 2,5 V-område).

22 22 Elektroteknik MMK, KTH OBSERVERA! Du ska bara ansluta en av förstärkarna i taget till givaren under denna mätning! Utspänningen från förstärkarna. (F S =3 ggr) Universalinstrumentens 2,5 V-område ,5 V ,5 V Vinkelgivare Av dina kurvor framgår förmodligen att en av OP-förstärkarkopplingarna är mindre lämplig tillsammans med denna givare! Vilken förstärkarkoppling återger givarens utspänning på ett korrekt sätt? Varför gör inte den andra kopplingen det? Innan mätningen gavs varningen OBSERVERA! Du ska bara ansluta en av förstärkarna i taget till givaren under denna mätning!. Varför gavs denna varning, vad händer om båda förstärkarna är inkopplade samtidigt (fundera/prova)? /HJ/111107MP

23 MMK, KTH Kortlaborationer 23 Dukningslista Kortlab 3 1 Multispänningsaggregat Står framme 1 ScopeMeter Står framme 1 Universalinstrumentet Kyoritsu 2 Diameteromvandlarpropp 1 Kopplingsbox (ansluten till mätkort) Står framme 1 Referenstemperaturugn 1 Mätförstärkare 1 Termoelement lilla plattan 1 Termoelement stora plattan 1 OP-förstärkarplatta 1 Motstånd 1 kohm 1 Motstånd 3 kohm 1 Motstånd 15 kohm 1 Motstånd 30 kohm 1 Givare för vridningsvinkel 6 Röd laboratoriesladd 4 Svart laboratoriesladd 4 Gul laboratoriesladd