ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2013/05-SE Examensarbete 15 hp Juni 2013 Utveckling och produktion av system för mätning samt loggning av temperatur i roterande elektriska maskiner Johan Söderberg Max Ekström
Abstract Utveckling och produktion av system för mätning samt loggning av temperatur i roterande elektriska maskiner Development of systems for measuring and recording temperature in rotating electrical machines Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 471 30 03 Telefax: 018 471 30 00 Johan Söderberg / Max Ekström The purpose of this thesis has been to design an electric circuit that measures temperature in three different ways. A software was also designed to record and analyse the measurments. The result of the circuit was a PCB with inputs for 42 sensors of both surface and non-surface measurments. These all have a maximum error of ±3 C. Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student Handledare: Jesus Jose Perez Loya Ämnesgranskare: Juan de Santiago Ochoa Examinator: Nora Masszi ISRN UTH-INGUTB-EX-*-20**/00-SE
Sammanfattning Det mesta pekar på att vi ma nniskor inom en snar framtid står info r en energikris, eller åtminstone en situation da r vi snabbt beho ver helt nya energika llor. Fo r att fo rbereda oss fo r detta bedrivs mycket forskning på universitet va rlden o ver. Uppsala universitet ligger i framkant på detta och vid avdelningen fo r elektricitetsla ra bedrivs en ma ngd forskningsprojekt inom området fo rnybar energi. En del av dessa handlar om nya sa tt att skapa elkraft som exempelvis sol-, vind, och vågkraft. Andra syftar till att ba ttre ta tillvara den energi vi har. Ett exempel på det senare a r projektet fo r energilagring i sva nghjul. Många av projekten innehåller roterande elektriska maskiner i vilka det uppstår stora magnetiska flo den. Dessa flo den utgo r den kraft vi vill åt na r maskinerna anva nds och det a r da rfo r angela get att så mycket flo de som mo jligt blir till nyttigt arbete. Så kallade la ckflo den minskar verkningsgraden och riskerar dessutom att skada maskinen. Ett bra sa tt att ma ta dessa oo nskade effekter a r att ma ta temperaturen. Oo nskade flo den orsakar ofta ma tbara temperaturho jningar. Detta projekt har resulterat i ett system fo r att ma ta och logga temperaturen på ett flertal såva l stationa ra som ro rliga punkter i applikationer innehållande roterande elektriska maskiner. Fo r de stationa ra delarna anva nds termoelement och termistorer. De ro rliga delarna ma ts med hja lp av IRsensorer. En mjukvara fo r att ma ta och lagra temperaturma tningar under en la ngre tid har också skrivits i programmeringsspråket LabVIEW. Nyckelord: LabVIEW, termoelement, IR-sensor, termistor, roterande elektriska maskiner, temperatur, I
Förord Vi vill ha rmed tacka våran handledare, José Perez, fo r det fo rberedande arbete som gjort vårt projekt mo jligt. Vi vill a ven tacka Juan de Santiago fo r det sto d han har varit under en lång period. Ett extra speciellt tack ska tilla gnas Anders Hagnestål som a r en stor inspirationska lla och pedagog vid Ångsto mslaboratoriet i Uppsala. II
Innehållsförteckning 1. Introduktion... 4 1.1 Inledning... 4 1.2 Bakgrundsbeskrivning... 4 1.3 Syfte... 5 1.4 Arbetsfo rdelning... 5 2. Teori...6 2.1 Termoelektriska fenomen och samband...6 2.1.1 Seebeck-effekten... 6 2.1.2 Steinhart-Harts ekvation... 6 2.1.3 Infraro d strålning...6 2.1.4 Temperaturho jningar i roterande elektriska maskiner...7 2.2 Elektriska komponenter... 7 2.2.1 DC-DC-omvandlare... 7 2.2.2 Instrumentfo rsta rkare... 8 2.2.3 AD/DA-omvandlare... 8 2.2.4 Kretsschema... 9 2.2.5 Kretskortsdesign...10 2.3 Logiska algoritmer... 10 2.3.1 Intervalluppdelning av icke-linja ra grafer...10 2.3.2 Modulora kning...10 2.3.3 LabVIEW... 10 2.4 Sensorer...11 2.4.1 Termoelement... 11 2.4.2 Termistor... 11 2.4.3 IR-sensor... 12 3. Metod...13 3.1 Inledning... 13 3.2 Hårdvara...13 3.2.1 Ursprungligt kopplingsschema... 13 3.2.2 Slutligt kopplingsschema... 15 3.3 Mjukvara... 16 3.3.1 Inledning... 16 3.3.2 Inla sning av information... 16 3.3.3 Bearbetning av information... 17 3.3.4 Redovisning av information till anva ndaren... 17 4. Resultat... 18 4.1 Referenskontroll av systemet...18 4.2 Test mellan sensorerna i systemet...20 5. Diskussion... 22 5.1 Resultatet... 22 5.2 Potential fo r vidareutveckling...22 6. Referenser...23 7. Appendix...24 A1. LabVIEW-kod...24 A2. Kretskortsdesign... 31 III
1. Introduktion 1.1 Inledning De senaste decennierna har vi ma nniskor gradvis antagit en mer och mer energikra vande livsstil. Fossila bra nslen har utgjort och utgo r fortfarande en signifikant del av vår totala energikonsumtion. Denna energika lla har många fo rdelar i form av tillga nglighet och energita thet. Stora delar av infrastrukturen har på de flesta platser byggs upp utifrån anva ndandet av stenkol, olja och naturgas. Utmed va garna finns bensinstationer med ja mna mellanrum och metoderna fo r att utvinna och fo ra dla det svarta guldet fo rfinas och effektiviseras sta ndigt. Dessva rre har denna utveckling en mo rk sida i form av påverkan på vårt klimat. Under maj 2013 uppma tte den amerikanska organisationen NOAA1 en koldioxidhalt på rekordho ga 400 ppm 2 vid deras forskningsstation på Hawaii [1]. Som en ja mfo relse kan na mnas att koldioxidhalten år 1960 låg under 320 ppm [2]. Skenet av en mycket snabb och farlig o kning klarnar. Koldioxid i atmosfa ren skapar som bekant en så kallad va xthuseffekt som go r att en viss andel av den infallande strålningen från solen stannar kvar ista llet fo r att reflekteras tillbaka ut i rymden. Denna effekt a r både naturlig och no dva ndig fo r livet på jorden. Problemen uppstår då koldioxidhalten stiger p.g.a. framfo r allt fo rbra nning av fossila bra nslen. Jordens medeltemperatur o kar och da rmed fo ra ndras a ven livsbetingelserna på vår planet. Hur och på vilket sa tt a r fortfarande till viss del omtvistat bland forskarna. Vad som dock står klart a r att en temperaturho jning i polarområdena kommer att frigo ra stora ma ngder vatten ut i va rldshaven. En stor andel av jordens befolkning bor utmed kusterna någon enstaka meter o ver dagens havsnivå, varfo r denna utveckling riskerar att tvinga dessa på flykt. Djur och natur blir givetvis de sto rsta offren na r det kommer till ofrivilliga omsta llningar. Behovet av en snabb och kommersiellt gångbar omsta llning blir alltså alltmer tydligt. Stora ekonomiska intressen inom sektorn fo r fossila bra nslen bromsar mer a n ga rna utvecklingen och dessutom utgo r den befintliga infrastrukturen fo r framfo r allt olja en mycket effektiv bromskloss fo r fo rnybara energika llor. På universitet va rlden o ver bedrivs forskning och utveckling fo r att ta fram nya alternativ. Mo jligheterna får sa gas se ganska ljusa ut. I vår omgivning finns na rmast oa ndlig tillgång på energi som vi i dagsla get inte utnyttjar sa rskilt va l. Att go ra oss helt oberoende av fossila bra nslen kan till en bo rjan verka som ett hopplo st projekt utan mo jlighet att lyckas. Men om solenergin utnyttjades fullt ut på 0,3% av ytan i o kenområdena Sahara/mellano stern så skulle det ra cka fo r att fo rso rja hela Europa med energi [3]. Om bara några enstaka procent av ytan utnyttjades optimalt så skulle det alltså generera tillra ckligt med energi fo r att fo rso rja hela va rlden. Tillsammans med mo jligheterna till våg, vatten och vindkraft va rlden o ver så framstår fullsta ndig omsta llning till fo rnybar energi inte la ngre som någon omo jlighet. 1.2 Bakgrundsbeskrivning Många alternativa energika llor så som vindkraft, vattenkraft, vågkraft samt energilagring med sva nghjul anva nder en roterande elektrisk maskin fo r att omvandla ro relseenergi till elektrisk energi. Då den roterande delen i en roterande elektrisk maskin ro r sig kring den statiska delen uppstår ofrånkomligen en friktionskraft som o kar med hastighets skillnaden mellan rotor och stator. 1 2 National Oceanic and Atmospheric Administration Parts per million IV
Permanentmagneter tilla mpas ofta fo r att skapa ett elektromagnetiskt fa lt i en generator. Några av fo rdelarna med att anva nda permanentmagneter a r att de a r spa nningsoberoende samt att de skapar ett konstant elektromagnetiskt fa lt. Permanentmagneter a r dock kostsamma, men den stora faran a r deras ka nslighet fo r o verhettning. Egenskaperna hos magnetiska material fo ra ndras med temperaturen. Den så kallade Curietemperaturen a r den kritiska punkt da r det magnetiska momentet inuti materialet kan a ndra riktning. Eftersom att det magnetiska momentet besta mmer kraften hos en permanentmagnet inneba r detta att permanentmagneter kan fo rsvagas av att utsa ttas fo r ho ga temperaturer. Na r kontaktytorna ro r sig relativt varandra, omvandlar friktionen ro relseenergi till va rme. Detta inneba r att vid en given rotationshastighet så kommer permanentmagneterna utsa ttas fo r o verhettning vilket kan inneba ra o desdigra konsekvenser fo r hela systemet. Med ovanstående konstaterande i åtanke så inses snabbt att o nskas optimering av en roterande elektrisk maskin med permanentmagneter kra vs det en ta mligen omfattande vetskap om den rådande temperaturen i na rheten av samtliga permanentmagneter. 1.3 Syfte Syftet med examensarbetet a r att utveckla ett system fo r ma tning och loggning av temperatur i roterande elektriska maskiner med hja lp av termoelement, termistorer samt IR-sensorer. Systemet skall sedan appliceras på prototyperna fo r fo rnybar energigenerering på avdelningen fo r elektricitetsla ra vid Uppsala Universitet. 1.4 Arbetsfördelning I stora drag var arbetsuppdelningen enligt fo ljande. Johan So derberg ansvarade fo r design av hårdvara, design av kretskort med CAD samt underrubrik 3.2 Hårdvara. Max Ekstro m ansvarade fo r utvecklingen av mjukvaran samt underrubrik 3.3 Mjukvara. Fo ljaktligen visar appendix A1. material från Max Ekstro m's arbete och appendix A2. Johan So derberg's arbete. V
2. Teori 2.1 Termoelektriska fenomen och samband 2.1.1 Seebeck-effekten Den tyska fysikern Thomas Seebeck insåg år 1821 att en krets tillverkad av två olika metaller, med a ndar i olika temperaturer, kunde påverka nålen hos en kompass. Det visade sig att en detta var en konsekvens av att en spa nning induceras av temperaturskillnaden som i sin tur driven en stro m genom en sluten krets. Den inducerade spa nningen a r proportionell mot temperaturskillnaden mellan de två metallerna. V =a (T h T c ) Ekvation 2.1.1.1 Da r a i ekvation Ekvation 2.1.1.1 a r proportionalitetskonstanten, a ven kallad Seebeck koefficienten, som a r ett mått på den spa nning som induceras av temperaturdifferensen o ver ett visst material. Den termoelektriska kraften ma ts i Volt per Kelvin [V/K]. V a r spa nnings skillnaden o ver den o ppna kretsen samt a r Th och Tc Temperaturerna på den varma respektive kalla sidan. 2.1.2 Steinhart-Harts ekvation Att vissa typer av halvledare har en resistans som beror av temperaturen har varit ka nt sedan bo rjan av 1800-talet då det uppta cktes av Michael Faraday [4]. Att applicera detta på något praktiskt var dock mycket svårt eftersom resistansen varierade icke-linja rt och enligt ett då oka nt mo nster. 1968 lyckades de två amerikanska professorerna John S. Steinhart och Stanley R. Hart fo r fo rsta gången beskriva hur resistansen hos en halvledare varierar som funktion av temperaturen. Detta samband beskrivs i Steinhart-Harts Ekvation 2.1.2.1. I denna ekvation a r T temperaturen i Kelvin, R resistansen i Ohm och o vriga variabler a r komponentberonde koefficienter. Ekvationen utgo r grunden fo r va ldigt många olika temperaturma tningar. Inte sa llan fo rsummas dock den tredje termen då behovet av precision a r begra nsat eftersom den a r va sentligt mindre a n de o vriga. 1 2 3 = A+ B ln (R )+C (ln ( R)) + D (ln ( R)) T Ekvation 2.1.2.1 2.1.3 Infraröd strålning Infraro d strålning kallas ofta IR-strålning. IR-strålning a r ljus med vågla ngder mellan 700nm till omkring 1mm. Eftersom det synliga ljuset ligger i intervallet 380nm-700nm [5] kan IR-strålning inte uppfattas med det ma nskliga o gat. Infraro d strålning a r elektromagnetiskt strålning och a r den sto rsta delen av all va rmeo verfo ring genom strålning. En vanlig producent av infraro d strålning a r solen. En va ldigt stor del av den energi som nås av jorden från solen a r i form av infraro d strålning. Illustration 2.1.4.1 Visar den infraro da strålningen från en ma nniska. VI
Illustration 2.1.4.1: Foto av en mänsklig kropp från en infraröd kamera 2.1.4 Temperaturhöjningar i roterande elektriska maskiner Då en roterande elektrisk maskin anva nds utvecklas na stan alltid termisk energi i sto rre eller mindre omfattning. Den mest uppenbara orsaken till detta a r naturligtvis friktion i ro rliga detaljer, men det kan också vara en effekt av så kallade la ckflo den. I en roterande elektrisk maskin utnyttjas sambandet mellan elektricitet och magnetism till att alstra elektrisk energi från mekanisk energi eller vice versa. I båda fallen kommer energi i form av magnetiskt flo de att utgo ra ett mellansteg. En dåligt designad maskin kan ge upphov till la ckflo den, vilka snarast kan liksta llas med magnetisk kortslutning. Flo det tar då en genva g och utvecklar va rme ista llet fo r mekanisk/elektrisk energi. Genom temperaturma tning kan dessa oo nskade flo den uppta ckas och lokaliseras. 2.2 Elektriska komponenter 2.2.1 DC-DC-omvandlare En mycket viktig komponent i all modern elektronik a r DC-DC-omvandlaren[6]. Komplexa system innehåller na stan alltid ett stort antal olika delkretsar, vilka inte sa llan kra ver olika matningsspa nning fo r att fungera tillfredssta llande. Sa rskilt stora a r fo rdelarna i batteridrivna enheter eftersom man slipper ha separata batterier fo r varje delkrets, men a ven i stationa ra na tdrivna system a r det opraktiskt att ha flera olika spa nningska llor. Rent praktiskt fungerar en DC-DC-omvandlare så att den kan matas med likstro m inom ett visst intervall. På utgången erhålls då en stabiliserad utspa nning av en given storlek. Ett annat problem som ofta uppstår na r flera olika delkretsar skall dela på samma matning a r att den gemensamma jorden ofta blir brusig och orsaka sto rningar, inte minst i system som har ett stort antal externa anslutningar. Med en DC-DC-omvandlare kan en separat flytande jord skapas fo r varje delkrets, vilket eliminerar risken fo r sto rre jordstro mmar som kan orsaka sto rningar på funktionen[6]. De DC-DC-omvandlare som anva nds i modern elektronik a r i allma nhet av switchad typ, d.v.s. de verkar genom att tempora rt lagra inkommande elektrisk energi i spolar eller kondensatorer. Denna energi frigo rs sedan genom transistorer, till o nskad spa nning vidare till utgången. Det finns a ven DC-DC-omvandlare som a r magnetiska eller elektromekaniska [9]. I det fo rsta fallet anva nds i princip en vanlig transformator, med tilla gget att stro mmen va xelriktas fo re prima rspolen och likriktas åter efter sekunda rspolen. Denna princip kan också utfo ras elektromekaniskt genom att VII
koppla ihop axlarna på två roterande elektriska maskiner da r den ena fungerar som motor och den andra som generator. Tyva rr kallas DC-DC-omvandlare ofta felaktigt fo r Traco efter en stor tillverkare av aktuell komponent. Detta a r så fel det kan bli eftersom Traco a ven tillverkar andra typer av komponenter och dessutom finns det en uppsjo av andra tillverkare som inte sa llan go r både ba ttre och billigare produkter. Således bo r man vidga sina vyer då man va ljer komponenter till sitt system. Nackdelar med båda dessa sista två principer a r att de tar mer plats och att fo rhållandet mellan in- och utspa nningen alltid a r detsamma. En switchad DC-DC-omvandlare kan inte sa llan hantera ett intervall av inspa nningar. 2.2.2 Instrumentförstärkare Sensorer och givare inom ma ttekniken ger ofta signaler med mycket små amplituder. Fo r att la sa av och tolka dessa kra vs då att de fo rsta rks på ett tillfo rlitligt sa tt. Ha r kommer instrumentfo rsta rkare in i bilden. Den som a r bekant med grundla ggande elektronik ka nner fo rmodligen till OP-fo rsta rkaren som genom olika kopplingar kan fo rsta rka en signal på olika sa tt. En OP-fo rsta rkare a r i sin tur uppbyggd av transistorer[6]. En instrumentfo rsta rkare a r i allma nhet uppbyggd av tre olika OP-fo rsta rkare och ett antal resistorer se Illustration 2.2.2.1. Fo rsta rkaren arbetar differentiellt, d.v.s. den fo rsta rker skillnaden i spa nning mellan de två ingångarna. Det ger en fo rsta rkning enligt Error: Reference source not found. Fo rdelen med att anva nda en instrumentfo rsta rkare ista llet fo r en enkel OP-fo rsta rkare a r t.ex. la gre brus,la gre DC-offset och en mycket ho gre inimpedans. Detta a r mo jligt tack vare de två fo rfo rsta rkarna som a r placerade direkt på komponentens ingångar. Illustration 2.2.2.1: Den vanligaste uppbyggnaden av en instrumentförstärkare 2.2.3 AD/DA-omvandlare AD/DA-omvandlaren utgo r en viktig del i en stor del av dagens elektronik[7]. En vanlig applikation fo r en AD-omvandlare a r t.ex. inspelning av digitalt ljud från en mikrofon. Då man pratar eller sjunger i en mikrofon fångar den i ro relserna i luften och konverterar dessa till en analog spa nning som a r beroende av tryckvågens amplitud i luften. Fo r att kunna lagra signalen digital så måste den konverteras till ett bina rt va rde med en given upplo sning. Denna visas tydligt i Illustration 2.2.3.1. Vi ser ha r en AD-omvandlare da r insignalen varierar mellan 0 och 7 volt. Eftersom enheten har en upplo sning på 1 Volt så kommer utsignalen att vara ett bina rt va rde 0-7 avrundat till na rmsta ja mna heltal. Denna upplo sning a r i de flesta fall otillra cklig fo r tillfredssta llande funktion, men genom att VIII
o ka precisionen så kan man uppnå intervall som a r så små att det bina ra icke steglo sa va rdet kan liksta llas med den steglo sa analoga insignalen. Illustration 2.2.3.1: En ADomvandlare med 1V upplösning En DA-omvandlare har en liknande funktion, men fungerar omva nt d.v.s. ett bina rt va rde konverteras till ett analogt. En vanlig applikation a r uppspelning av digitalt ljud från t.ex. en CDskiva eller en MP3-fil[7]. Naturligtvis blir då upplo sningen på en steglo sa analoga utsignalen i praktiken inte ho gre a n det bina ra va rdet som matas in i enheten. 2.2.4 Kretsschema Varje komponentval bo r vara genomta nkt. Komponenten ska uppfylla kretsens funktionalitet i fo rsta hand, dock a r urvalet av de flesta komponenter va ldigt stort att det finns oftast en hel ho g av komponenter att va lja mellan som uppfyller kraven fo r funktionalitet. En ekonomisk lo sning a r något som de flesta fo retag uppskattar, men det ska helst inte ha någon effekt på kvaliteten av produkten. Prisspannet kan vara va ldigt stort och da rfo r ska komponentens exakta uppgift vara så specificerad som mo jligt fo r att undvika ono diga funktioner. Av miljo ska l a r det viktigt att endast hålla sig till tillverkare som fo ljer RoHs-direktivet. RoHs a r en fo rkortning av engelska Restriction of Hazardous substances, på svenska har direktivet namnet Begra nsning av anva ndningen av vissa farliga a mnen i elektriska och elektroniska produkter. RoHs a r ett EU-direktiv som begra nsar anva ndningen av vissa tungmetaller och flamskyddsmedel i elektriska produkter. Det slutgiltiga produkten ska helst ha minimala dimensioner varfo r kompakta lo sningar a r intressanta. En kompakt lo sning ska dock go ras med ha nseende av storleken på stro mmarna. Stora stro mmar inneba r transport av fler elektroner vilket i sin tur inneba r mer material. Då samtliga komponentval a r gjorda kan kretsschemat ritas. Det a r fo rvånansva rt vanligt att kretskort ritas slarvigt utan ha nseende till pedagogik. Det a r va ldigt viktigt att ett kretsschema a r tydligt och enkelt att la sa av och fo rstå. IX
2.2.5 Kretskortsdesign Att ett blivande kretskort a r redo fo r design inneba r att schemat fo r kretsen redan a r skapad. Om storlek på kortet inte har någon betydelse ska samtliga ledningar vara av tjocka dimensioner. Tjockleken på ledningarna ska o ka med storleken på stro mmarna i ledningarna. Ett jordplan ska a ven finnas. Jordplanet ska vara så stort som mo jligt eftersom det inneba r mer material som kan lagra elektroner. Insignaler ska vara placerade på en sida och utsignaler ska vara placerade på motstående sida. Komponenter ska vara placerade så att signalen ska kunna fo ljas från ingång till utgång. Detta blir oftast en balansgång eftersom storleken på kretskortet, mer eller mindre, alltid har betydelse. En kompakt lo sning a r ofta att prioritera. Ledningar kan dras på flera lager, vilket endast påverkar kretskortets o verskådlighet. Tjockleken på ledningarna kan minimeras samt kan jordplanet tas bort helt om det endast ro r sig om små stro mmar. 2.3 Logiska algoritmer 2.3.1 Intervalluppdelning av icke-linjära grafer Derivator a r i teorin en intervalluppdelning av en graf da r man antar oa ndligt många samt oa ndligt små intervall, med andra ord tangenter till grafen. Skulle en icke-linja r graf delas upp i a ndligt många intervall i ett slutet område så kan den nya grafen aldrig bli ekvivalent med den ursprungliga grafen, dock kommer graferna na rmare varandra ju fler intervall som anva nds. Detta kan utnyttjas i programmering då en grafs algoritm a r allt fo r komplex. Fo r att denna approximation skall vara anva ndbar måste det finnas ka nnedom om vilken noggrannhet som a r tillra cklig. 2.3.2 Moduloräkning Modulora kning, eller kongruensra kning, a r en va ldigt anva ndbar metod inom programmering. Om två tal, a och b, ger samma rest vid division med ett tal, n, a r dessa kongruenta modulo n vilket betecknas enligt Ekvation 2.3.3.1. Skulle detta inte vara fallet sa gs talen, a och b, vara inkongruenta. Med applicering av modulora kning i ett system kan en ra knare skapas ta mligen enkelt utan sto rre prestandakrav. Exempelvis kan en loop-ra knare, som ra knar heltal i positiv riktning från noll mot oa ndligheten, konverteras till en ra knare som ra knar upp till ett tal, n, och sedan bo rjar om från noll. Detta bildar således en ny ra knare som begra nsas av det givna talet, n. 2.3.3 LabVIEW Inom många applikationer med ma t- och styrsystem anva nds programmeringsspråket LabVIEW[10]. Namnet a r en fo rkortning av Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench och fo r utvecklingen svarar det amerikanska fo retaget national instruments. De har sedan lanseringen 1986 sta ndigt fo rfinat och vidareutvecklat programmeringsspråket. Till skillnad från traditionell programmering med textkommandon bygger LabVIEW helt på ett grafiskt gra nssnitt. Operationerna motsvaras av grafiska block som dras och sla pps i ett fo nster som utgo r sja lva programkoden. Blocken kan ha både in- och utgångar och genom att koppla ihop olika block kan man åstadkomma ett program med o nskad funktionalitet. Ett stort antal moduler finns X
inkluderade i utvecklingsmiljo n, men det går a ven att skapa egna alternativt ladda ned nya från andra anva ndare o ver internet. En stor stryka hos LabVIEW a r den så kallade frontpanelen på vilken grafiska kontroller och indikatorer kan la ggas till. Dessa a r sedan sammankopplade med ovan na mnda programblock. På detta sa tt beho ver inte anva ndaren av programmet fo rstå den bakomliggande koden, eller fo r den delen ens vara bekant med LabVIEW. a n b Ekvation 2.3.3.1 2.4 Sensorer 2.4.1 Termoelement Termoelement a r en, i ho gsta grad, pålitlig typ av temperaturgivare som bygger på Thomas Seeback's na stan 200 år gamla teori. Två metalltrådar av olika material har elektrisk kontakt i ena a nden och a r anslutna till en spa nningsma tare i andra a nden[8]. Termoelementen monteras så att varje magnet i en magnetrad inuti statorn har kontakt men den sammanfogade a nden. Anledningen till att endast utnyttja en magnetrad a r att då temperaturen hos en magnetrad kan ma tas med tillra cklig noggrannhet, kan en uppfattning om temperaturen hos samtliga punkter inses. Detta a r en lo sning som underla ttar de ekonomiska och praktiska aspekterna hos systemet. Det termoelement som valdes var Labfacility Z3-K-1M. Det brittiska fo retaget Labfacility har i o ver 30 år stått fo r kvalité och hållbarhet och a r idag en av Europas sto rsta producenter av termoelement. Z3-K-1M a r ett robust och stryktåligt termoelement har valts av precis den anledningen. I Illustration 2.4.1.1 ses en bild av denna. Illustration 2.4.1.1: Ett termoelement av typen som använts i projektet Illustration 2.4.1.2: En IR-sensor av typen ZTP135SR 2.4.2 Termistor Teknologin bakom en termistor har sina ro tter i Steinhart-Harts ekvation. Det a r med andra ord en komponent som varierar resistans i fo rhållande till temperaturen. ZTP-135SR a r en kombinerad termistor och IR-sensor tillverkad av GE Measurement & Control. Komponenten har 4 ben varav XI
två tillho r termistorn och två tillho r IR-sensorn. Dessa kan tolkas som två separata kretsar. Vid montering av denna komponent a r det viktigt att de två benen tillho rande termistorn har god kontakt med den magnet den a r ta nk att ma ta temperaturen på. En komponent på varje magnet i en magnetrad bo r råda a ven ha r. 2.4.3 IR-sensor Infraro d strålning ma ts med hja lp av en IR-sensor. ZTP-135SR som visas i Illustration 2.4.1.2 har, som tidigare na mnt, fyra ben varav två har kontakt med en IR-sensor. Vid montering skall sensorns, så kallade, o ga vara oblockerat och vara riktat mot rotorn. Sedan dessa komponenter monteras la gst en hel magnetrad i statorn kommer den infraro da strålningen från en hel magnetrad i rotorn nu kunna ma tas. Den temperaturen ma ts med en noggranhet på ungefa r ±3 C. XII
3. Metod 3.1 Inledning I roterande elektriska maskiner finns såva l ro rliga som stationa ra delar. De sistna mnda a r inga sto rre svårigheter att ma ta, men om det ska ske med god precision så bo r sensorer av god kvalité anva ndas. Valet fo ll på termoelement eftersom de ma ter temperatur med mycket god noggrannhet och dessutom finns produkter som som a r fo rkalibrerade från fabrik. Det finns a ven fo rkalibrerade instrumentfo rsta rkare till na mnda termoelement, vilket go r att man kan få en komplett fo rkalibrerad helhetslo sning från sensor till utspa nning. Då återstår endast DAQ-kortet som okalibrerad del, vilket go r det la tt att kalibrera det slutliga systemet. Desto sto rre utmaning a r det att ma ta de roterande delarna. Att ha fysisk kontakt med dessa kan fungera, men i så fall måste kommunikationen från dessa sensorer till resten av systemet ske på trådlo s va g. Sensorerna skulle också kra va separata stro mmatningar under tiden de roterar, vilket skulle leda till ett komplext system med många saker som potentiellt kan krångla. Ista llet valdes att la sa av temperaturen hos de roterande delarna med IR-sensorer. På detta sa tt kan sensorerna monteras stationa rt i maskinen, vilket eliminerar risken fo r tidigare na mnda problem. 3.2 Hårdvara 3.2.1 Ursprungligt kopplingsschema Vid projektets start o vertogs en befintlig fo rsta rkarkoppling från ett tidigare examensarbete (Se Illustration 3.2.1.1). Denna studerades och utva rderades mycket noga. I samband med detta uppta cktes ett antal stora fel som skulle fo rsa mra funktionen och i vissa fall helt omo jliggo ra anva ndning. Som exempel på detta kan na mnas att de negativa utgångarna a r sammankopplade med de negativa ingångarna på DC-DC-omvandlarna. Detta indikerar att personerna som konstruerat kretsschemat ej har fo rstått vad en DC-DC-omvandlare a r och vad den anva nds till. Den prima ra funktionen a r att ge den matade kretsen en separat flytande jord fo r att fo rhindra jordstro mmar och da rmed sto rningar. Sekunda rt fungerar komponenten a ven som en spa nningsregulator, men om man endast ta nker anva nda denna funktion så bo r man ista llet ko pa en spa nningsregulator fo r en bråkdel av kostnaden. Vidare anva ndes en PGA202KP som fo rsta rkare till IR-sensorn. Denna fo rsta rkare har en fo rdel i god linearitet vid ho gre frekvenser, men eftersom vi endast skall fo rsta rka en likspa nning från IR-sensorn så a r detta fullsta ndigt ono digt. En PGA202KP kostar o ver 100 Kr/st vilket a r mycket dyrt fo r denna typ av komponent. Det allvarligaste felet a r dock att man kopplat ihop positiv och negativ matning på denna fo rsta rkare. Det go r hela kretsen helt oanva ndbar. XIII
Illustration 3.2.1.1: Schemat som övertogs från tidigare examensarbete XIV
3.2.2 Slutligt kopplingsschema Illustration 3.2.2.1: Färdigt kopplingsschema över förstärkare för en sensor av varje typ I det reviderade kretsschemat byttes en del av komponenterna ut och/eller kopplades om. Den ono digt dyra instrumentfo rsta rkaren PGA202KP byttes ut mot en INA2126. Denna kostar en bråkdel mot PGA202KP, har tillra ckligt goda egenskaper och dessutom dubbla fo rsta rkare i varje kapsel, vilket halverar antalet komponenter. De två DC-DC-omvandlarna av ma rket Traco byttes ut mot en av ma rke Recom och modell RS3-1212D. Denna har en effekt på tre watt och har två utgångar på plus respektive minus 12 V. På ingången till DC-DC-omvandlaren sattes en drossel och mellan utgångar och jord kopplades kondensatorer fo r att minska sto rningar enligt rekommendationer i databladet. Termocouple-fo rsta rkaren AD595AQ a r liksom PGA202KP ganska kostsam, men det bedo mdes att den var va rd att behålla eftersom den a r fo rkalibrerad. Tillverkaren garanterar ett fel på maximalt tre grader. Eftersom denna fo rsta rkare beho ver en matning på 5 V kopplades en spa nningsregulator XV
mellan DC-DC-omvandlaren och AD595AQ. Som kontaktdon valdes olika strategier på in- och utgångar. På ingångarna anva nds 3,5 mm MKKDS från Phoenix contacts d.v.s. skruvplintar med anslutningar i två lager. Dessa valdes fo r att sensorerna som kopplas in inte sa llan ansluts vid olika tillfa llen och går till olika platser. Kontakterna go r det smidigt att ansluta trådarna enskilt. Utsignalerna tas ut via en D-sub kontakt med 50 pinnar. Denna valdes fo r att utgångarna i allma nhet ansluts samtidigt och går till samma sta lle (DAQ-kortet). Slutligen monterades en enkel DC-plugg fo r spa nningsmatning. Tack vare DCDC-omvandlaren kan det fa rdiga kretskortet matas med allt mellan 9 18 V och fortfarande fungera tillfredssta llande. Fo r slutlig design av mo nsterkortet se Appendix A2. 3.3 Mjukvara 3.3.1 Inledning Fo r utveckling av mjukvara valdes programmeringsspråket LabVIEW. Anledningen till detta a r var tidigare erfarenhet och kunskaper av denna utvecklingsmiljo, samt tillgång på la mplig och tillho rande hårdvara fo r a ndamålet. Ytterligare fo rdelar bedo mdes vara enkelheten att go ra en intuitivt och anva ndarva nligt gra nssnitt. All kod finns bifogad i Appendix A1. 3.3.2 Inläsning av information Illustration 3.3.2.1: Ett DAQ-kort från national instruments Fo r inla sning av no dva ndig information utnyttjades ett DAQ-kort 3 levererat av national instruments (se Illustration 3.3.2.1). Varje insignal ma ttes differentiellt fo r att minska risken fo r jordstro mmar och da rmed sto rningar mellan kanalerna. Temperatur a r generellt något som fo ra ndras långsamt o ver en la ngre tid, varfo r en avla sningsfrekvens på 1 Hz ansågs la mplig. Fo r att minska risken fo r tillfa lliga sto rningar valdes att sampla med 5 khz och sedan ra kna ut genomsnittet av dessa va rden en gång i sekunden. Då signalen diskretiserades sattes en precision på 1*10-5 V, vilket a r vad DAQkortet maximalt klarar[11]. Ingen anledning sågs att dra ned denna precision. Inla sningen från DAQ-kortet sattes i en oa ndlig while-loop separerad från o vriga delar av programmet. Denna approach valdes fo r att inla sningen då sker i en separat tråd, vilket sa kersta ller kontinuerliga avla sningar utan fo rdro jningar orsakade av prestandaproblem. En annan fo rdel a r att 3 Data acquisition-kort XVI
denna loop a r oberoende av o vriga delar av programmet vilket leder till o kad modularitet. Om man vill anpassa mjukvaran fo r en annan typ av DAQ-kort så a r det att modifiera inla sningsloopen. Övriga delar kan ligga kvar ofo ra ndrade. 3.3.3 Bearbetning av information Efter att informationen la sts in i LabVIEW så slussas den vidare fo r bearbetning. Algoritmerna skrevs efter information ha mtad från respektive sensors datablad. Denna information anva ndes alltfo r att o versa tta en inla st spa nning till motsvarande temperaturva rde. Samtliga va rden lagras sedan i arrayer fo r att mo jliggo ra fo r anva ndaren att gå tillbaka och se historiken sedan programmets start via anva ndargra nssnittet. 3.3.4 Redovisning av information till användaren Via frontpanelen informeras anva ndaren om de av programmet inla sta va rdena. Gra nssnittets utseende kan ses i Illustration 3.3.4.1 En graf informerar om temperaturerna under den senaste minuten. Detta då det ansågs att en graf med la nge tidsaxel skulle bli svåravla st. Det finns a ven indikatorer fo r samtliga va rden som lagrats, samt fo r temperaturen den fo rsta sekunden de senaste minuterna. Det senare lades till fo r att underla tta o versikt då programmet ko rs under en la gre tid. Slutligen finns ett minne fo r ho gsta temperatur, samt tidpunkt fo r detta uppma tta va rde. Illustration 3.3.4.1: UI för en av sensorerna XVII
4. Resultat 4.1 Referenskontroll av systemet Systemets precision kontrollerades genom att termoelementet placerades i ett vattenbad som gradvis va rmdes upp med hja lp av en doppva rmare (se Illustration 4.1.1). Uppma tta va rden kontrollerades och ja mfo rdes mellan termoelementet och en stektermometer vid tre olika temperaturer utspridda o ver systemets ma tintervall. Resultaten av ma tningarna kan ses i Illustration 4.1.2, Illustration 4.1.3 oxh Illustration 4.1.4. Illustration 4.1.1: Uppställningen för referenskontroll för stektermometer i vattenbad Illustration 4.1.2: Referenstest vid 22 C mellan termoelement och stektermometer XVIII
Illustration 4.1.3: Referenstest vid 50 C mellan termoelement och stektermometer Illustration 4.1.4: Referenstest vid 76 C mellan termoelement och stektermometer XIX
4.2 Test mellan sensorerna i systemet Efter referenstestet gjordes ett nytt test da r samma fo remål ma ttes med de olika sensorerna och va rdena mellan dessa ja mfo rdes. Även denna gång gjordes testet med tre olika temperaturer utspridda inom systemets ma tintervall. Resultaten kan ses i Illustration 4.2.1 och Illustration 4.2.2. Illustration 4.2.1: Jämförande test mellan sensorerna vid en temperatur på ca 25 C XX
Illustration 4.2.2: Jämförande test mellan sensorerna vid en temperatur på ca 43 C XXI
5. Diskussion 5.1 Resultatet Tre skilda typer av temperaturma tning på samma punkt på ett material a r inte alltid helt trivialt. Önskas precisa ma tningar bo r man ta ha nsyn till felmarginaler samt den rådande omgivningen. Felmarginalerna hos termoelementen ligger, till stor del, hos termoelementfo rsta rkarna. AQ595AD har en utlovad marginal på ±3 C enligt datablad, vilket a r en sto rre felmarginal a n hos termoelementen sja lva. Termistorer anses inte ha samma tillfo rlitlighet som termoelement, dock a r termistorer vanligen relativt stabila då materialet i komponenten o kar sin elektriska resistans relativt temperaturen, vilket inte sa llan go r materialet till den stora boven vid felma tningar. Omgivningen, vid montering av sensorer som ma ter kontaktytan såsom termoelement och termistorer, ska tas ha nsyn till i den mån att elektrisk kontakt har stor betydelse. Fo r optiska sensorer såsom IR-sensorer a r omgivningen av sto rsta betydelse fo r eventuella felma tningar, då sensorn inte tar ha nsyn till varifrån ljuset kommer ifrån. Antas perfekta fo rhållanden finns det ofta fo rsumbara felet att all va rme inte utstrålar infraro tt ljus. Resultatet studerades med tillfredssta llande slutsats. Samtliga skillnader mellan ma tningarna ligger i det tillåtna intervallet, med respekt fo r den då rådande omgivningen. Ma tningar som utfo rdes vid omkring 25 C visar att ytan har en temperatur mellan 24-26 C enligt termistor och termoelement, samt utstrålar materialet infraro tt ljus motsvarande 24,3 C. Då temperaturen o kades till omkring 45 C samspelade termistor och termoelement enligt fo rhoppningar då resultatet blev 45,57 C respektive 45,79 C. IR-sensorn angav resultatet 41,72 C vilket visar en fel på 4,07 C, i fo rhållande till termoelementet. Detta felet ligger strax o ver det tillåtna intervallet, vilket berodde på att sensorn i det ha r fallet inte låg i vinkelra t position i fo rhållande till materialet. Detta leder i sin tur till att all de o nskade infraro da ljuset inte kan detekteras i linsen. 5.2 Potential för vidareutveckling Denna design har tilla mpat en ekonomisk lo sning vilket sja lvklart ger utrymme fo r fo rba ttring. En anva ndare som a r beredd att investera ett sto rre kapital och o nskar mer exakta ma tningar kan byta ut en del komponenter. Exempelvis finns fo r kalibrerade termoelementfo rsta rkare med felmarginaler på ±1 C i sta llet fo r ±3 C. Fo rsta rkningen kan a ven justeras efter o nskade temperaturer. Va ldigt pålitliga termistorer går också att få tag i samt finns ett stort utbud av IR-sensorer med olika kvalitéer. Varningar fo r olika temperaturnivåer a r sja lvklart något som kan tilla ggas om så o nskas, både i form av varningsljud eller varningslampor på frontpanelen. Automatisk kylning som triggas av givna temperaturnivåer a r också en anva ndbar lo sning. XXII
6. Referenser [1] http://researchmatters.noaa.gov/news/pages/carbondioxideatmaunaloareaches400ppm.asp x - 130513 [2] http://www.slate.com/blogs/bad_astronomy/2013/05/11/atmospheric_carbon_dioxide_levels _at_all_time_high_for_past_several_million.html - 130513 [3] http://www.environmentalgraffiti.com/sciencetech/03-of-saharan-sun-enough-to-powereurope/1421 130513 [4] http://old.iihr.uiowa.edu/~hml/people/kruger/teaching/ece_55141_2010/homework/ntcth ermistor.pdf [5] Infrared ellipsometry on semiconductor layer structures : phonons, plasmons, and polaritons, Mathias Schubert, 1st ed, 2004 [6] Analog elektronik, Bengt Molin, 2nd ed, 2009 [7] Digitala kretsar, Lars-Hugo Hemert,1st edition, 2001 [8] http://www.omega.com/prodinfo/thermocouples.html 130516 [9] http://en.wikipedia.org/wiki/dc-to-dc_converter 130606 [10] http://sine.ni.com/np/app/main/p/docid/nav-104/lang/sv/fmid/1762/ 130607 [11] http://www.ni.com/pdf/manuals/374188d.pdf 130608 XXIII
7. Appendix A1. LabVIEW-kod Loopen som beräknar temperaturen ifrån inlästa värden. Samtliga SubVI's är numrerade och följer nedan. XXIV
Loop för inläsning från DAQ-kortet SubVI 1 XXV
SubVI 2 SubVI 3 XXVI
SubVI 4 XXVII
SubVI 5 XXVIII
SubVI 6 XXIX
SubVI 7 SubVI 8 XXX
A2. Kretskortsdesign Den färdiga kretskortsdesignen XXXI